"Η ανθρώπινη ανάγκη για οξυγόνο. Η δομή του αναπνευστικού συστήματος"
Η σημασία του οξυγόνου για τη διατήρηση της ζωής του σώματος είναι αναμφισβήτητη. Εάν συγκρίνουμε τα συστατικά που είναι απαραίτητα για τη ζωή του σώματος (νερό, θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο), αποδεικνύεται ότι η διάσπαση του προϋπολογισμού οξυγόνου σε οποιονδήποτε από τους συνδέσμους οδηγεί πιο γρήγορα σε θάνατο. Στο ανθρώπινο σώμα, ως η πιο οργανωμένη μορφή ζωής, η λειτουργική ικανότητα των ζωτικών οργάνων εξαρτάται σημαντικά από την άμεση παροχή οξυγόνου σε αυτά. Επομένως, οποιαδήποτε παθολογική κατάσταση σχετίζεται στενά με διαταραχές στον προϋπολογισμό οξυγόνου του οργανισμού.
Η έννοια του «προϋπολογισμού οξυγόνου» περιλαμβάνει όλο το φάσμα θεμάτων που σχετίζονται με την ανάγκη του σώματος για οξυγόνο, τους νόμους της διείσδυσης οξυγόνου στα κύτταρα και τα σωματικά υγρά, τη μεταφορά του μέσω του κυκλοφορικού συστήματος και τον μηχανισμό χρήσης του στους ιστούς. Έχουν δημιουργηθεί ορισμένες ποσοτικές σχέσεις μεταξύ της κατανάλωσης οξυγόνου και της παραγωγής ενέργειας στο σώμα. Η ενεργειακή βάση της ζωτικής δραστηριότητας του οργανισμού είναι η συνεχής οξείδωση των θρεπτικών συστατικών.
Ένα άτομο σε ηρεμία με ελάχιστη ανταλλαγή αερίων καταναλώνει περίπου 250 ml οξυγόνου ανά λεπτό. Ταυτόχρονα σχηματίζονται περίπου 200 ml διοξειδίου του άνθρακα. Με βαριά μυϊκή εργασία, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται κατά 10 ή περισσότερο, που είναι περίπου 2500-3000 ml οξυγόνου ανά λεπτό. Αυτή η θέση επιβεβαιώνεται από τα δεδομένα που λαμβάνονται στη μελέτη μεμονωμένων οργάνων σε ηρεμία και κατά τη διάρκεια έντονης δραστηριότητας.
Με την έντονη δραστηριότητα, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται σημαντικά. Τα αποθέματα οξυγόνου στο ανθρώπινο σώμα είναι εξαιρετικά μικρά. μπορούν να είναι αρκετά για τη ζωή μόνο για 5-6 λεπτά.
Ο ατμοσφαιρικός αέρας που εισπνέει ο άνθρωπος περιέχει 20,94% οξυγόνο, 79,03% άζωτο και διάφορα αδρανή αέρια (αργό, νέον, ήλιο κ.λπ.) και 0,03% διοξείδιο του άνθρακα. Η σύνθεση του εκπνεόμενου αέρα είναι ήδη διαφορετική: περιέχει 16,3% οξυγόνο, 4% διοξείδιο του άνθρακα, 79,7% άζωτο και άλλα αδρανή αέρια. Η σύγκριση αυτών των αριθμών δείχνει ότι στους πνεύμονες η ποσότητα του οξυγόνου μειώνεται και το διοξείδιο του άνθρακα αυξάνεται. Το οξυγόνο από τον αέρα στις κυψελίδες περνά στο αίμα και το διοξείδιο του άνθρακα φεύγει από το αίμα και περνά στον κυψελιδικό αέρα. Γιατί συμβαίνει αυτή η μετάβαση των αερίων; Η μετάβαση των αερίων από το περιβάλλον στο υγρό και από το υγρό στον αέρα υπόκειται σε ορισμένους φυσικούς νόμους. Κάθε αέριο διαλύεται σε ένα υγρό ανάλογα με τη μερική του πίεση (η μερική πίεση είναι εκείνο το μέρος της συνολικής πίεσης που πέφτει στο μερίδιο κάθε αερίου σε ένα μείγμα αερίων. Εξαρτάται από το ποσοστό αυτού του αερίου). Ποια είναι η μερική πίεση καθενός από αυτά τα αέρια;
Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 760 mm Hg. Τέχνη. Επομένως, εάν ο αέρας ασκεί πίεση ίση με 760 mm Hg. Τέχνη, λοιπόν μερική πίεση οξυγόνουθα είναι το 20,94% της συνολικής πίεσης και θα ισούται με 159 mm Hg. Τέχνη. Μερική πίεση αζώτουκαι άλλα αδρανή αέρια θα ανέρχονται στο 79,03% της ατμοσφαιρικής πίεσης και θα είναι ίσα με 600,8 mm Hg. Τέχνη. Υπάρχει πολύ λίγο διοξείδιο του άνθρακα - μόνο 0,03%. Επομένως δικό του μερική πίεσηθα είναι περίπου 0,2 mm Hg. Τέχνη. Εάν η μερική πίεση ενός αερίου στο περιβάλλον είναι υψηλότερη από την πίεση (τάση) του ίδιου αερίου σε ένα υγρό, τότε το αέριο θα διαλυθεί στο υγρό μέχρι να επιτευχθεί μια ορισμένη ισορροπία. Εάν, για παράδειγμα, η μερική πίεση του οξυγόνου στις κυψελίδες είναι υψηλότερη από ό,τι στο εισερχόμενο φλεβικό αίμα, τότε το οξυγόνο από τον κυψελιδικό αέρα θα περάσει στο αίμα.
Το αίμα, έχοντας εισέλθει στους πνεύμονες μέσω της πνευμονικής αρτηρίας, εξαπλώνεται στα τριχοειδή αγγεία στην τεράστια περιοχή των κυψελίδων σε ένα λεπτό στρώμα. Αυτό προάγει επίσης την ανταλλαγή αερίων. Το οξυγόνο, περνώντας από τον κυψελιδικό αέρα στο αίμα, εισέρχεται σε χημικό δεσμό με την αιμοσφαιρίνη. Το οξυγονωμένο αίμα μεταφέρεται σε όλο το σώμα και απελευθερώνει οξυγόνο στα τριχοειδή αγγεία των ιστών. Εδώ, το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στην κυκλοφορία του αίματος. Το οξυγόνο, το οποίο δίνει το αίμα στους ιστούς, πηγαίνει στα κύτταρα και εισέρχεται σε χημικές μεταβολικές διεργασίες.
Η ποσότητα οξυγόνου που καταναλώνει ένα άτομο δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβλητή και εξαρτάται από πολλούς διαφορετικούς παράγοντες.
Η δραστηριότητα της ανθρώπινης αναπνοής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Έτσι, για παράδειγμα, εάν κάνετε ένα κρύο ή αρκετά δροσερό ντους, η κατανάλωση οξυγόνου θα αυξηθεί κατά 100% περίπου και η απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα θα αυξηθεί κατά 150% (σε σύγκριση με τις συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου). Η συχνότητα των αναπνευστικών διεργασιών αυξάνεται με την αύξηση της ανθρώπινης απώλειας θερμότητας. Ένα αναπτυσσόμενο σώμα και ένα ανθρώπινο σώμα που σωματικά λειτουργεί πολύ απαιτεί περισσότερο οξυγόνο από ένα άλλο ανθρώπινο σώμα.
Ένα άτομο καταναλώνει 15 έως 20 λίτρα οξυγόνου σε μία ώρα ύπνου. όταν ένα άτομο είναι απλώς ξαπλωμένο, αλλά ταυτόχρονα είναι ξύπνιο, τότε η απορρόφηση οξυγόνου του αυξάνεται κατά 30 - 35%. ένα άτομο που περπατά ήρεμα καταναλώνει 100% περισσότερο οξυγόνο. με αθόρυβη, ελαφριά εργασία, η ζήτηση οξυγόνου αυξάνεται κατά 200%. με σκληρή σωματική εργασία, η κατανάλωση οξυγόνου μπορεί να αυξηθεί κατά 600% ή και περισσότερο (ανάλογα με την ένταση της εργασίας).
Η δραστηριότητα των αναπνευστικών διεργασιών ενός ατόμου επηρεάζει άμεσα την ικανότητα των πνευμόνων του. Έτσι, στους αθλητές, η χωρητικότητα των πνευμόνων είναι 1 - 1,5 λίτρο περισσότερο από το συνηθισμένο και στους επαγγελματίες κολυμβητές, η χωρητικότητα των πνευμόνων μπορεί να φτάσει τα 6 λίτρα. Με την αύξηση της χωρητικότητας των πνευμόνων, ο αναπνευστικός ρυθμός μειώνεται και το βάθος της εισπνοής αυξάνεται. Εάν ένας συνηθισμένος άνθρωπος (όχι αθλητής) αναπνέει με ρυθμό 14 - 18 αναπνοές ανά λεπτό, τότε ένας αθλητής - 6 - 10 αναπνοές ανά λεπτό. Έτσι, η ανάγκη των ανθρώπινων ιστών για οξυγόνο εξαρτάται άμεσα από τον τρόπο ζωής, την ένταση εργασίας και την ηλικία του.
A. M. Charny,
«Παθοφυσιολογία υποξικών καταστάσεων».
Medgiz, M., 1961
Αυτή η έκδοση δημοσιεύεται σε μικρές συντομογραφίες.
Η σημασία του οξυγόνου για τη διατήρηση της ζωής του σώματος είναι αναμφισβήτητη. Εάν συγκρίνουμε τα συστατικά που είναι απαραίτητα για τη ζωή του σώματος - νερό, θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο, αποδεικνύεται ότι η κατανομή του προϋπολογισμού οξυγόνου σε οποιονδήποτε από τους συνδέσμους οδηγεί πιο γρήγορα σε θάνατο. Στο ανθρώπινο σώμα, ως η πιο οργανωμένη μορφή ζωής, η λειτουργική ικανότητα των ζωτικών οργάνων εξαρτάται σημαντικά από την άμεση παροχή οξυγόνου σε αυτά. Επομένως, μπορεί να υποτεθεί ότι οποιαδήποτε παθολογική κατάσταση σχετίζεται στενά με διαταραχές στον προϋπολογισμό οξυγόνου του σώματος.
Η έννοια του «προϋπολογισμού οξυγόνου» περιλαμβάνει όλο το φάσμα θεμάτων που σχετίζονται με την ανάγκη του σώματος για οξυγόνο, τους νόμους της διείσδυσης οξυγόνου στα κύτταρα και τα σωματικά υγρά, τη μεταφορά του μέσω του κυκλοφορικού συστήματος και τον μηχανισμό χρήσης του στους ιστούς. Έχουν δημιουργηθεί ορισμένες ποσοτικές σχέσεις μεταξύ της κατανάλωσης οξυγόνου και της παραγωγής ενέργειας στο σώμα. Η ενεργειακή βάση της ζωτικής δραστηριότητας του οργανισμού είναι η συνεχής οξείδωση των θρεπτικών συστατικών. Υπό συνθήκες πρωτεϊνικής διατροφής, όταν καταναλώνεται 1 λίτρο οξυγόνου, σχηματίζονται 4,48 kcal, όταν τρέφονται με λίπος - 4,69 kcal, με αποκλειστικά υδατάνθρακες τροφές - 5,05 kcal θερμότητας. Η κατανάλωση 1 λίτρου οξυγόνου υπό συνθήκες μικτής διατροφής συνοδεύεται από σχηματισμό 4,8 kcal θερμότητας.
... Έτσι, ένα άτομο σε ηρεμία με ελάχιστη ανταλλαγή αερίων καταναλώνει περίπου 250 ml οξυγόνου ανά λεπτό. Ταυτόχρονα σχηματίζονται περίπου 200 ml διοξειδίου του άνθρακα. Με βαριά μυϊκή εργασία, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται κατά 10 ή περισσότερο, που είναι περίπου 2500-3000 ml οξυγόνου ανά λεπτό. Αυτή η θέση επιβεβαιώνεται από τα δεδομένα που λαμβάνονται στη μελέτη μεμονωμένων οργάνων σε ηρεμία και κατά τη διάρκεια έντονης δραστηριότητας.
... Με την έντονη δραστηριότητα, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται σημαντικά.
Τα αποθέματα οξυγόνου στο ανθρώπινο σώμα είναι εξαιρετικά μικρά. μπορεί να είναι αρκετά για δραστηριότητα ζωής για 5-6 λεπτά.
... Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Barcroft, η ποσότητα αίματος σε μια φάλαινα είναι περίπου 8.000 λίτρα με συνολικό βάρος 122.000 κιλά. Από αυτό προκύπτει ότι οι ποσοτικές αναλογίες μεταξύ σωματικού βάρους και όγκου αίματος σε μια φάλαινα είναι περίπου της ίδιας τάξης μεγέθους με τους ανθρώπους. Οι ίδιες αναλογίες υπάρχουν και στο σώμα άλλων καταδυτικών ζώων (φώκια). Η σύγκριση των αποθεμάτων οξυγόνου στο ανθρώπινο σώμα και στα καταδυτικά ζώα δίνει μια σαφή εικόνα της ασήμαντης σημασίας αυτού του αποθέματος στους ανθρώπους και στα καταδυτικά ζώα. Η μακρά παραμονή των καταδυτικών ζώων κάτω από το νερό χωρίς πρόσβαση στο ατμοσφαιρικό οξυγόνο και με μικρά αποθέματά του στο σώμα είναι δυνατή λόγω του χαμηλού μεταβολικού ρυθμού. Τα πολύ μικρά αποθέματα οξυγόνου ενός ατόμου ικανοποιούν πλήρως τις φυσιολογικές του ανάγκες, υπό την προϋπόθεση ότι αυτή η παροχή αναπληρώνεται συνεχώς από τον εξωτερικό αέρα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση της παροχής οξυγόνου στο σώμα και την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα, η οποία πραγματοποιείται αυτόματα και σε υψηλές ταχύτητες. Οι συνθήκες για αυτό, πιθανώς, δημιουργήθηκαν σε ένα ορισμένο στάδιο στην ανάπτυξη του οργανισμού και ήταν ο λόγος που το ζωτικό για τον οργανισμό αέριο άρχισε να απορροφάται εύκολα από το αίμα και να απελευθερώνεται γρήγορα στους ιστούς. Αυτές οι συνθήκες είναι: οι φυσικές ιδιότητες και οι νόμοι της διείσδυσης οξυγόνου στα κύτταρα και τα σωματικά υγρά, η μεταφορά οξυγόνου μέσω του κυκλοφορικού συστήματος και ο μηχανισμός χρήσης του οξυγόνου στους ιστούς.
ΒΑΣΙΚΕΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΔΙΕΙΣΧΥΣΗΣ ΤΟΥ ΣΤΟ ΥΓΡΟ ΜΕΣΟ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ
Το αίμα και οι ιστοί του σώματος περιέχουν περίπου 20 λίτρα διοξειδίου του άνθρακα, 1 λίτρο οξυγόνου και 1 λίτρο αζώτου. Σύμφωνα με το νόμο του Dalton, η πίεση του αερίου στο μείγμα δεν εξαρτάται από την περιεκτικότητα άλλων συστατικών του μείγματος και είναι ίση με την πίεση που θα ασκούσε αυτή η ποσότητα αερίου εάν καταλάμβανε μόνο έναν δεδομένο όγκο. Αυτή η πίεση ονομάζεται μερική πίεση του αερίου.
Η μερική πίεση του οξυγόνου στα κύτταρα, το αίμα και τα σωματικά υγρά είναι σημαντικός παράγοντας για την κανονική λειτουργία του. Η μερική πίεση του οξυγόνου στα κύτταρα είναι η ενδοκυτταρική πίεση αερίου και στο υγρό των ιστών και τη λέμφο είναι εξωκυτταρική. Ο Camelbell έδειξε με τη μέθοδο σχηματισμού φυσαλίδων αερίου ότι για οποιονδήποτε όγκο ενός δεδομένου αερίου σε μια περιορισμένη κοιλότητα μετά την εξίσωση υπό συνθήκες ηρεμίας, η μερική του πίεση παραμένει σταθερή. Η παροχή οξυγόνου στο σώμα παρέχεται από το αναπνευστικό σύστημα, το αίμα και τους ιστούς. Όσον αφορά το αναπνευστικό σύστημα, εδώ η παροχή οξυγόνου υπόκειται στους νόμους της διείσδυσης αερίων μέσω των μεμβρανών και της διάχυσης τους σε υγρά.
ΔΙΑΧΥΣΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΠΝΕΥΜΟΝΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ
Ένας ουσιαστικός παράγοντας για την ανταλλαγή αερίων μεταξύ αίματος και αέρα είναι το μέγεθος της αναπνευστικής επιφάνειας και το πάχος του στρώματος ιστού μεταξύ των πνευμονικών τριχοειδών αγγείων και των κυψελίδων.
Ακόμη και ο Abby (1880) επεσήμανε ότι η αναπνευστική επιφάνεια των πνευμόνων είναι 80 m2 με διάμετρο των κατεστραμμένων κυψελίδων 0,2 mm.
Το μέγεθος της αναπνευστικής επιφάνειας των πνευμόνων, που δίνεται από τον Zuntz, λαμβάνοντας υπόψη την περιεκτικότητα σε αέρα στις πνευμονικές κυψελίδες, τη διάμετρο των κυψελίδων (0,2 mm) και την επιφάνειά τους (0,126 cm2), με την προϋπόθεση ότι υπάρχουν περίπου 725 εκατομμύρια κυψελίδες στους ανθρώπινους πνεύμονες, είναι 90 m2.
Ο Bohr προσέγγισε τον υπολογισμό της πνευμονικής επιφάνειας διαφορετικά. Η ποσότητα αερίου που, σε πίεση 760 mm Hg, διεισδύει σε 1 λεπτό μέσω 1 cm2 της επιφάνειας, όρισε ως συντελεστή εισβολής.
... Το πάχος του τοιχώματος που χωρίζει την κυψελιδική κοιλότητα από την τριχοειδή κοιλότητα, σύμφωνα με τα συμφωνημένα δεδομένα πολυάριθμων ερευνητών, είναι 0,004 mm. Αργότερα αποδείχθηκε ότι η απορρόφηση αερίων από ένα υγρό, το μοριακό βάρος, η μάζα μεμονωμένων μορίων αερίου, η πίεση στα οριακά στρώματα του υγρού, το πάχος του στρώματος του υγρού κ.λπ., έχουν σημασία για τη διάχυση των αερίων.
Η ποσότητα αερίου που απορροφάται από μια μονάδα όγκου υγρού σε ατμοσφαιρική πίεση ονομάζεται συντελεστής απορρόφησης Bunsen (a). Ο Stefan εισήγαγε την έννοια του συντελεστή διάχυσης (K) - μια σταθερά που εξαρτάται από τη φύση του αερίου, του υγρού και της θερμοκρασίας διάχυσης.
Έτσι, ο ρυθμός διάχυσης του αερίου είναι ευθέως ανάλογος με τον συντελεστή απορρόφησης, τη διαφορά πίεσης του αερίου διάχυσης και στις δύο πλευρές του υγρού, τη σταθερά διάχυσης και είναι αντιστρόφως ανάλογος με τη βαρομετρική πίεση και το πάχος του διαφράγματος . Οι Levy και Zuntz πρότειναν να ληφθεί υπόψη ο παράγοντας διάχυσης (C) αντί του συντελεστή διάχυσης. Το τελευταίο (με βάση ότι ο συντελεστής διάχυσης είναι ανάλογος με την τετραγωνική ρίζα του μοριακού βάρους) προκύπτει από τον συντελεστή διάχυσης όταν πολλαπλασιάζεται με την τετραγωνική ρίζα του μοριακού βάρους του αερίου.
... Αργότερα, τα πειράματα των Levy και Zuntz έδειξαν ότι η διάχυση μέσω του πνευμονικού ιστού συμβαίνει 2 φορές πιο γρήγορα από ότι μέσω του νερού. Ο Exner το εξηγεί με την παρουσία μιας λιποειδής μεμβράνης. Έτσι, αποδείχθηκε ότι ο συντελεστής διάχυσης για τους πνεύμονες θα είναι 0,139 αντί για 0,065 για το νερό.
Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα, είναι δυνατό να υπολογιστεί πόσο οξυγόνο μπορεί να διεισδύσει ανά λεπτό κατά τη διάρκεια φυσιολογικών αναπνευστικών κινήσεων μέσω 1 cm2 του κυψελιδικού τοιχώματος και, επομένως, μέσω των φυσιολογικών ανθρώπινων πνευμόνων.
... Σε όλη την πνευμονική επιφάνεια (90 m2) διεισδύουν 90 Χ 10000 Χ 0,006756 = 6080 ml οξυγόνου ανά λεπτό. Έτσι, η δομή των πνευμόνων επιτρέπει περίπου 6080 ml οξυγόνου να εισέλθουν στο αίμα ανά λεπτό. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κατανάλωση οξυγόνου ενός ενήλικα σε ηρεμία είναι 250 ml ανά λεπτό και με έντονη μυϊκή εργασία περίπου 3000-4000 ml, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η παροχή οξυγόνου στο σώμα παρέχεται από τους πνεύμονες σε περίσσεια.
Αυτά τα δεδομένα μας επιτρέπουν να συμπεράνουμε ότι η πιο έντονη εργασία μπορεί να παρασχεθεί με την κατάλληλη παροχή οξυγόνου και ότι κάτω από παθολογικές συνθήκες που σχετίζονται με το κλείσιμο μεγάλου ποσοστού της πνευμονικής επιφάνειας από
Ομοιόσταση του σώματοςυποστηρίζεται από προσεκτική ρύθμιση των καρδιοαναπνευστικών αποκρίσεων στην άσκηση. Υπάρχουν δύο δείκτες που αντικατοπτρίζουν επαρκώς τις μεταβολικές ανάγκες του οργανισμού: η κατανάλωση οξυγόνου και η παραγωγή CO2.
Επίπεδο σωματικής δραστηριότηταςείναι το πιο σημαντικό σημείο που καθορίζει τις ανάγκες του οργανισμού σε οξυγόνο. Με τη σειρά του, η κατανάλωση οξυγόνου είναι ο πιο επαρκής δείκτης σωματικού στρες.
Στο κατανάλωση 1 λίτρου οξυγόνουπαράγεται ενέργεια ισοδύναμη με περίπου 5 kcal. Σε αυτό το άρθρο, ο μικρός όγκος κατανάλωσης οξυγόνου αναφέρεται ως Vo2 και εκφράζεται σε λίτρα ανά λεπτό κανονικοποιημένες σε κανονικές συνθήκες (STPD).
Μεταβολικό κόστοςΟι διάφορες δραστηριότητες του σώματος εκφράζονται συχνά σε χιλιοστόλιτρα ανά κιλό ανά λεπτό (ml / kg * min) Vo2 (STPD). Αυτή είναι μια απλή μέθοδος που λαμβάνει υπόψη το μέγεθος του σώματος του ατόμου. Κάποτε, διάφοροι συγγραφείς πρότειναν ξεχωριστές ταξινομήσεις για τη σοβαρότητα της σωματικής δραστηριότητας στη βιομηχανία, τον αθλητισμό και ορισμένους άλλους τομείς που σχετίζονται με την ανθρώπινη φυσική δραστηριότητα. Αυτή η έρευνα άγγιξε επίσης τον τομέα των καταδύσεων και των καταδύσεων. Είναι γνωστό από διάφορες πηγές ότι η συνολική μέση τιμή κατανάλωσης οξυγόνου κατά την παρατεταμένη ελεύθερη κολύμβηση σε πτερύγια με ταχύτητα κοντά στα 0,56 m/s είναι 2 l/min (STPD).
Το 1973 ο Μόρισονανέφερε μια μελέτη της μέγιστης προσπάθειας στη σταθερή κολύμβηση με πτερύγια σε ένα υποβρύχιο εκπαιδευτή τραπεζίου σε διαφορετικά προσομοιωμένα βάθη. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν ήταν κοντά στον μέσο όρο και το εύρος τιμών που καθιέρωσε ο Lanphier το 1954 για άτομα που κολυμπούσαν με ταχύτητα 0,61 m / s.
Σπουδάζω στην πραγματικές συνθήκες κολύμβησηςυποβρύχια για μεγάλη απόσταση στον ωκεανό πραγματοποιήθηκε από τον Hunt και τους συνεργάτες του το 1964. Ο μικρός όγκος κατανάλωσης οξυγόνου δεν μετρήθηκε άμεσα, αλλά σύμφωνα με άλλους δείκτες θα μπορούσε να υποτεθεί ότι ήταν στην περιοχή 1,3-1,8 l / ελάχ. Η υπολογισμένη ταχύτητα κολύμβησης ήταν 0,5-0,61 m / s.
Αερόβια ικανότητα
Σε οποιαδήποτε ειδικόςΗ χρονική στιγμή ενός μεμονωμένου Vo2 πρέπει σίγουρα να είναι μεταξύ των ελάχιστων (βασικών) και των υψηλότερων τιμών που μπορεί να επιτύχει ο συγκεκριμένος οργανισμός. Λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος του σώματος και τον βαθμό σωματικής χαλάρωσης, οι ελάχιστες τιμές Vo2 για ενήλικες είναι 0,2 L / λεπτό. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη στους υπολογισμούς είναι η μέση τιμή Vo2 για ένα άτομο. η κατάσταση ηρεμίας είναι 0,3 l/min.
Ολοι έχουν ανώτατο όριο κατανάλωσης οξυγόνουπου μπορεί να επιτευχθεί με πολύ σκληρή σωματική εργασία που περιλαμβάνει μεγάλες μυϊκές ομάδες. Η μέγιστη Vo2 (VO2max) ή «αερόβια ικανότητα» σε υγιείς ανθρώπους υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στην ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του σώματος να παρέχει οξυγόνο από τους πνεύμονες στους εργαζόμενους μύες. Όπως φαίνεται από τα διαθέσιμα δεδομένα στη βιβλιογραφία, η δυσκολία του πνευμονικού αερισμού ενώ βρίσκεται σε βάθος περιορίζει την τιμή του VO2max.
Μέγιστη τιμή VO2εξαρτάται όχι μόνο από το μέγεθος του σώματος και τα συνταγματικά χαρακτηριστικά ενός ατόμου, αλλά κυρίως από τον βαθμό της ατομικής αθλητικής του κατάρτισης. Σχεδόν όλοι οι ερευνητές θεωρούν το VO2max ως τον πιο αντιπροσωπευτικό δείκτη «σωματικής ικανότητας» του καρδιαγγειακού και του αναπνευστικού συστήματος.
Για διάφοροςμε μέσες παραμέτρους σώματος και μέτρια φυσική κατάσταση, η VO2max μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τουλάχιστον 3 l/min. Οι τιμές VO2max έως και 6 l/min είναι πολύ σπάνιες. Ένας δύτης με ασυνήθιστα υψηλή τιμή του μέγιστου λεπτού όγκου κατανάλωσης οξυγόνου για τις παραμέτρους του έχει ορισμένα πλεονεκτήματα όταν καταδύεται σε σχέση με άλλους δύτες, ειδικά σε σχέση με τις αναπνευστικές ανάγκες του σώματος σε υψηλά επίπεδα φυσικής δραστηριότητας.
Επίδραση του υδάτινου περιβάλλοντος στο VO2maxφαίνεται να είναι σημαντική. Το 1974, ο Χόλμερ έδειξε ότι το VO2max των κορυφαίων κολυμβητών ενώ κολυμπούσαν ήταν περίπου ίσο με αυτό ενός εργόμετρου ποδηλάτου στον αέρα, αλλά ήταν 6-7% χαμηλότερο από ό,τι στο τρέξιμο. Για τους λιγότερο έμπειρους κολυμβητές, οι διαπιστωμένες διαφορές ήταν πιο έντονες.
Μουρκαι οι συνάδελφοι το 1970 δεν βρήκαν μείωση στη σωματική απόδοση σε άτομα που εργάζονταν με πόδια (μη κολυμβητικός χαρακτήρας της άσκησης) κατά τη βύθιση όλου του σώματος στο νερό. Το 1973, ο Morrison ανέφερε αποτελέσματα που έδειχναν έναν περιορισμό VO2max στην κολύμβηση τραπεζίου με πτερύγια. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, τα δεδομένα που ελήφθησαν θα μπορούσαν να έχουν επηρεαστεί από την αναπνευστική συσκευή.
Η ποσότητα οξυγόνου που καταναλώνεται από ένα άτομο με άδειο στομάχι σε κατάσταση μυϊκής ανάπαυσης, ξαπλωμένο, είναι ένας δείκτης της ανταλλαγής που είναι απαραίτητη για τη διατήρηση των ζωτικών λειτουργιών του σώματος σε ηρεμία, δηλαδή του βασικού μεταβολισμού. Ο βασικός ανθρώπινος μεταβολισμός χαρακτηρίζεται από κατανάλωση οξυγόνου της τάξης των 200-250 ml/min με κατανάλωση ενέργειας περίπου 1-1,2 kcal/min. Ο βασικός μεταβολισμός επηρεάζεται από το φύλο, την ηλικία, το σωματικό βάρος και την επιφάνεια, τη σύνθεση των τροφίμων, τις κλιματικές συνθήκες, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος κ.λπ. Ο ρυθμός βασικού ενεργειακού μεταβολισμού ενός ενήλικα είναι 1 kcal ανά 1 kg σωματικού βάρους ανά ώρα.
Η αυξημένη κατανάλωση οξυγόνου κατά την εργασία είναι απαραίτητη για την οξείδωση των προϊόντων αποσύνθεσης των υδατανθράκων στην αερόβια φάση (γαλακτικό οξύ), των λιπών, καθώς και για την επανασύνθεση αζωτούχων ουσιών στην αναερόβια φάση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάγκη του σώματος σε οξυγόνο, τόσο πιο έντονη είναι η εργασία. Εντός ορισμένων ορίων, υπάρχει μια γραμμική σχέση μεταξύ της σοβαρότητας της εργασίας που εκτελείται και της κατανάλωσης οξυγόνου. Αυτή η αντιστοιχία εξασφαλίζεται με την ενίσχυση του καρδιαγγειακού συστήματος και την αύξηση του συντελεστή διάχυσης του οξυγόνου μέσω του πνευμονικού ιστού. Ο συντελεστής διάχυσης αυξάνεται από 50 όταν λειτουργεί με 450 kg/min σε 61 όταν λειτουργεί με 1590 kg/min.
Η ποσότητα οξυγόνου ανά λεπτό που απαιτείται για την πλήρη οξείδωση των προϊόντων αποσύνθεσης ονομάζεται ζήτηση οξυγόνου ή ζήτηση οξυγόνου, ενώ η μέγιστη ποσότητα οξυγόνου που μπορεί να λάβει το σώμα ανά λεπτό ονομάζεται ανώτατο όριο οξυγόνου. Το ανώτατο όριο οξυγόνου για άτομα που δεν είναι εκπαιδευμένα για σωματική εργασία είναι περίπου 3 l/min και για εκπαιδευμένα άτομα μπορεί να φτάσει τα 4-5 l/min.
Το ενεργειακό κόστος για δυναμική αρνητική εργασία είναι περίπου το 50% του ενεργειακού κόστους για δυναμική θετική εργασία. Έτσι, η κίνηση ενός φορτίου σε οριζόντιο επίπεδο είναι 9-16 φορές ευκολότερη από την ανύψωση ενός φορτίου.
Ρύζι. 1. Δυναμική κατανάλωσης οξυγόνου κατά τη σωματική εργασία. Καρό εκκόλαψη - κατανάλωση οξυγόνου κατά την εργασία. οριζόντια σκίαση - ζήτηση οξυγόνου. κάθετη σκίαση - χρέος οξυγόνου. Εικόνα στα αριστερά - εργασία μέτριας σοβαρότητας. η φιγούρα στα δεξιά λειτουργεί με προοδευτικό χρέος οξυγόνου.
Η κατανάλωση οξυγόνου κατά τη δυναμική θετική εργασία φαίνεται στο Σχ. 1. Όπως φαίνεται από αυτό το σχήμα, η καμπύλη κατανάλωσης οξυγόνου στην αρχή της εργασίας αυξάνεται και μόνο μετά από 2-3 λεπτά ρυθμίζεται σε ένα ορισμένο επίπεδο, το οποίο στη συνέχεια διατηρείται για μεγάλο χρονικό διάστημα (σταθερή κατάσταση). Η ουσία μιας τέτοιας πορείας της καμπύλης είναι ότι στην αρχή η εργασία πραγματοποιείται με ατελή ικανοποίηση της ζήτησης οξυγόνου και, ως αποτέλεσμα, με αυξανόμενο χρέος οξυγόνου, καθώς οι ενεργειακές διεργασίες στον μυ κατά τη συστολή του συμβαίνουν αμέσως, και η παροχή οξυγόνου λόγω της αδράνειας του καρδιαγγειακού και του αναπνευστικού συστήματος είναι αργή ... Και μόνο όταν η παροχή οξυγόνου αντιστοιχεί πλήρως στη ζήτηση οξυγόνου, εμφανίζεται μια σταθερή κατάσταση κατανάλωσης οξυγόνου.
Το χρέος οξυγόνου που σχηματίζεται στην αρχή της εργασίας αποπληρώνεται μετά το τέλος της εργασίας, κατά την περίοδο ανάκαμψης, κατά την οποία η κατανάλωση οξυγόνου φτάνει στο αρχικό της επίπεδο. Αυτή είναι η δυναμική της κατανάλωσης οξυγόνου κατά την ελαφριά και μεσαία εργασία. Κατά τη διάρκεια της βαριάς εργασίας, ουσιαστικά δεν εμφανίζεται ποτέ μια σταθερή κατάσταση κατανάλωσης οξυγόνου· η έλλειψη οξυγόνου στην αρχή της εργασίας προστίθεται στο έλλειμμα οξυγόνου που σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της. Σε αυτή την περίπτωση, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται συνεχώς μέχρι το ανώτατο όριο οξυγόνου. Η περίοδος αποκατάστασης με τέτοιες εργασίες επιμηκύνεται σημαντικά. Στην περίπτωση που η ζήτηση οξυγόνου κατά τη λειτουργία υπερβαίνει το ανώτατο όριο οξυγόνου, εμφανίζεται μια λεγόμενη ψευδής σταθερή κατάσταση. Αντανακλά το ανώτατο όριο οξυγόνου, όχι την πραγματική ζήτηση οξυγόνου. Σε αυτή την περίπτωση, η περίοδος αποκατάστασης είναι ακόμη μεγαλύτερη.
Έτσι, από το επίπεδο κατανάλωσης οξυγόνου σε σχέση με την εργασία, μπορεί κανείς να κρίνει τη σοβαρότητα της εργασίας που εκτελείται. Μια σταθερή κατάσταση κατανάλωσης οξυγόνου κατά τη διάρκεια της εργασίας μπορεί να υποδηλώνει ότι η ζήτηση οξυγόνου ικανοποιείται πλήρως, ότι δεν συμβαίνει συσσώρευση γαλακτικού οξέος στους μύες και το αίμα, ότι έχει χρόνο να επανασυντεθεί σε γλυκογόνο. Η απουσία σταθερής κατάστασης και η αύξηση της κατανάλωσης οξυγόνου κατά τη διάρκεια της εργασίας υποδηλώνουν τη σοβαρότητα της εργασίας, τη συσσώρευση γαλακτικού οξέος, το οποίο απαιτεί οξυγόνο για την επανασύνθεσή του. Η ακόμη πιο σκληρή δουλειά χαρακτηρίζεται από μια ψευδή σταθερή κατάσταση.
Η διάρκεια της περιόδου ανάρρωσης για την κατανάλωση οξυγόνου δείχνει επίσης περισσότερο ή λιγότερο σοβαρότητα της εργασίας. Με ελαφριά εργασία, το χρέος οξυγόνου είναι μικρό. Το σχηματιζόμενο γαλακτικό οξύ ως επί το πλείστον έχει χρόνο να επανασυντεθεί στους μύες σε γλυκογόνο κατά τη διάρκεια της εργασίας, η διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης δεν υπερβαίνει τα αρκετά λεπτά. Μετά από σκληρή δουλειά, η κατανάλωση οξυγόνου μειώνεται γρήγορα στην αρχή και στη συνέχεια πολύ αργά, η συνολική διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης μπορεί να φτάσει τα -30 λεπτά ή περισσότερο.
Η αποκατάσταση της κατανάλωσης οξυγόνου δεν σημαίνει αποκατάσταση των εξασθενημένων λειτουργιών του οργανισμού συνολικά. Πολλές λειτουργίες του σώματος, για παράδειγμα, η κατάσταση του αναπνευστικού και του καρδιαγγειακού συστήματος, το αναπνευστικό πηλίκο, οι βιοχημικές διεργασίες κ.λπ., δεν έχουν φτάσει ακόμη στο αρχικό τους επίπεδο μέχρι στιγμής.
Για την ανάλυση των διεργασιών ανταλλαγής αερίων, οι αλλαγές στον αναπνευστικό συντελεστή CO 2 / O 2 (DC) μπορεί να έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον.
Σε μια σταθερή κατάσταση κατανάλωσης οξυγόνου κατά τη λειτουργία, το DC μπορεί να υποδεικνύει τη φύση των οξειδωμένων ουσιών. Με σκληρή δουλειά, το DC ανεβαίνει στο 1, το οποίο δείχνει την οξείδωση των υδατανθράκων. Μετά την εργασία, το DC μπορεί να είναι περισσότερο από 1, γεγονός που εξηγείται από παραβίαση της οξεοβασικής ισορροπίας του αίματος και αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου (pH): ένα αυξημένο pH συνεχίζει να διεγείρει το αναπνευστικό κέντρο και ως αποτέλεσμα, το διοξείδιο του άνθρακα ξεπλένεται εντατικά από το αίμα με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης οξυγόνου, δηλαδή σε αναλογία CO 2 / O 2, ο αριθμητής αυξάνεται και ο παρονομαστής μειώνεται.
Σε μεταγενέστερο στάδιο ανάκτησης, το DC μπορεί να είναι χαμηλότερο από τον αρχικό πρόσθετο δείκτη λειτουργίας. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης απελευθερώνονται αλκαλικά αποθέματα αίματος και το διοξείδιο του άνθρακα διατηρείται για να διατηρηθεί το φυσιολογικό pH.
Στη στατική λειτουργία, η κατανάλωση οξυγόνου είναι διαφορετική. Στη διαδικασία εργασίας, η πιο συγκεκριμένη έκφραση της στατικής εργασίας είναι η διατήρηση της στάσης εργασίας ενός ατόμου. Η στάση εργασίας ως κατάσταση ισορροπίας του σώματος μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη σειρά της ενεργητικής εξουδετέρωσης σε εξωτερικές δυνάμεις. σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει παρατεταμένη τάση τετανικού μυός. Αυτός ο τύπος στατικής εργασίας είναι πολύ αντιοικονομικός όσον αφορά τη νεύρωση και την ενέργεια. Η στάση εργασίας, στην οποία η διατήρηση της ισορροπίας συμβαίνει με προσαρμογή στην κατεύθυνση της βαρύτητας, είναι πολύ πιο οικονομική, αφού σε αυτή την περίπτωση παρατηρείται τονωτική και όχι τετανική μυϊκή ένταση. Στην πράξη, παρατηρούνται και οι δύο τύποι στατικής εργασίας, συχνά αντικαθιστώντας το ένα το άλλο, αλλά η στατική εργασία, που συνοδεύεται από τετανική τάση, είναι πρωταρχικής σημασίας από την άποψη της φυσιολογίας της εργασίας. Η δυναμική της κατανάλωσης οξυγόνου με αυτόν τον τύπο στατικής εργασίας φαίνεται στο Σχ. 2.
Το διάγραμμα δείχνει ότι κατά τη διάρκεια της στατικής καταπόνησης, η κατανάλωση οξυγόνου είναι πολύ μικρότερη από τη ζήτηση οξυγόνου, δηλαδή ο μυς λειτουργεί σχεδόν υπό αναερόβιες συνθήκες. Στην περίοδο αμέσως μετά την εργασία, η κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται απότομα και στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά (φαινόμενο Lingard) και η περίοδος αποκατάστασης μπορεί να είναι μεγάλη, καθώς σχεδόν όλη η ζήτηση οξυγόνου ικανοποιείται μετά την εργασία. Ο Λίνγκαρντ έδωσε την εξής εξήγηση για το φαινόμενο που ανακάλυψε. Με την τετανική «σύσπαση του μυός, λόγω της συμπίεσης των αγγείων, δημιουργείται μηχανική απόφραξη στη ροή του αίματος και ως εκ τούτου την παροχή οξυγόνου και την εκροή προϊόντων τερηδόνας - γαλακτικό οξύ. Η στατική εργασία είναι αναερόβια, επομένως, το χαρακτηριστικό άλμα προς την αύξηση της κατανάλωσης οξυγόνου μετά την εργασία οφείλεται στην ανάγκη για οξείδωση των προϊόντων αποσύνθεσης που σχηματίζονται κατά την εργασία.
Αυτή η εξήγηση δεν είναι εξαντλητική. Με βάση τις διδασκαλίες του N.E. Vvedensky, η χαμηλή κατανάλωση οξυγόνου κατά τη στατική εργασία μπορεί να οφείλεται όχι τόσο σε μηχανικό παράγοντα όσο σε μείωση του μεταβολισμού λόγω επιρροών αντανακλαστικού πίεσης, ο μηχανισμός του οποίου είναι ο ακόλουθος. Ως αποτέλεσμα του στατικού στρες (συνεχείς ωθήσεις από τον μυ), ορισμένα κύτταρα του εγκεφαλικού φλοιού εισέρχονται σε κατάσταση έντονης παρατεταμένης διέγερσης, η οποία τελικά οδηγεί σε ανασταλτικά φαινόμενα όπως ο παραβιοτικός αποκλεισμός. Μετά τον τερματισμό της στατικής εργασίας (απαισιόδοξη κατάσταση), αρχίζει μια περίοδος ανάτασης - αυξημένη διεγερσιμότητα και, κατά συνέπεια, αύξηση του μεταβολισμού. Η κατάσταση της αυξημένης διεγερσιμότητας επεκτείνεται στα αναπνευστικά και καρδιαγγειακά κέντρα. Ο περιγραφόμενος τύπος στατικής εργασίας είναι χαμηλής ενέργειας, η κατανάλωση οξυγόνου, ακόμη και με πολύ σημαντική στατική καταπόνηση, σπάνια υπερβαίνει το 1 l / λεπτό, αλλά η κόπωση μπορεί να συμβεί αρκετά γρήγορα, γεγονός που εξηγείται από αλλαγές στο κεντρικό νευρικό σύστημα.
Ένας άλλος τύπος στατικής εργασίας - η διατήρηση της στάσης λόγω τονωτικής μυϊκής συστολής - απαιτεί χαμηλό ενεργειακό κόστος και είναι λιγότερο κουραστικό. Αυτό εξηγείται από τις σπάνιες και λιγότερο ή περισσότερο ομοιόμορφες ώσεις από το κεντρικό νευρικό σύστημα που χαρακτηρίζουν την τονική νεύρωση και τις ιδιαιτερότητες της ίδιας της συσταλτικής αντίδρασης, τις σπάνιες και ασθενείς ώσεις, την ολκιμότητα και τη σύντηξη των παλμών και τη σταθερότητα του αποτελέσματος. Ένα παράδειγμα είναι η συνήθης όρθια στάση ενός ατόμου.
Ρύζι. 2. Σχήμα του φαινομένου Lingard.
Κατανάλωση οξυγόνου και εξέλιξη διοξειδίου του άνθρακα
Η συνολική ποσότητα οξυγόνου που καταναλώνεται την ημέρα και το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου εξαρτάται κυρίως από το επίπεδο κατανάλωσης ενέργειας και, σε μικρότερο βαθμό, από τη σύνθεση της καθημερινής διατροφής. Η κύρια κατανάλωση οξυγόνου αυξάνεται με μη γραμμικό τρόπο με την αύξηση του σωματικού βάρους, αλλά η κύρια μεταβλητή που καθορίζει το επίπεδο της ενεργειακής δαπάνης είναι η μυϊκή δραστηριότητα, η οποία έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην κατανάλωση οξυγόνου. Υπολογίζεται ότι για κάθε λίτρο (STPD) οξυγόνου που καταναλώνεται, απελευθερώνονται 5 kcal ενέργειας. Η ημερήσια κατανάλωση οξυγόνου ενός μικρού ατόμου κυμαίνεται από 300 λίτρα (1500 kcal) σε κατάσταση ηρεμίας έως 1000 λίτρα (5000 kcal) κατά τη διάρκεια σκληρής σωματικής εργασίας.
Λόγω των διαφορετικών επιπέδων σωματικής δραστηριότητας εντός των ορίων της μέτριας εργασίας, η κατανάλωση οξυγόνου βάρους για ένα άτομο 70 κιλών μπορεί να κυμαίνεται από 0,5 έως 1,0 κιλό την ημέρα. Υπό τυπικές συνθήκες αερίου περιβάλλοντος στην καμπίνα ενός διαστημικού σκάφους, η κατανάλωση οξυγόνου από τους αστροναύτες είναι 7,3-7,5 λίτρα ανά 1 κιλό βάρους. Ωστόσο, δεδομένων των σοβαρών συνεπειών ακόμη και μιας βραχυπρόθεσμης έκθεσης στην υποξία, είναι σκόπιμο να πραγματοποιούνται οι βασικοί υπολογισμοί των συστημάτων υποστήριξης της ζωής με βάση την τυπική κατανάλωση οξυγόνου 1 kg ανά άτομο την ημέρα.
Με βάση την κανονική τιμή του αναπνευστικού πηλίκου RQ, μπορεί να υπολογιστεί η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται κατά την απορρόφηση του οξυγόνου. Έτσι, εάν η ποσότητα οξυγόνου που καταναλώνεται είναι 1000 λίτρα την ημέρα με αναπνευστικό συντελεστή RQ = 0,83, τότε θα απελευθερωθούν 830 λίτρα διοξειδίου του άνθρακα. Πιο ακριβείς υπολογισμοί μπορούν να γίνουν αν λάβουμε υπόψη τη σύνθεση των θρεπτικών συστατικών που επεξεργάζεται ο οργανισμός. Για παράδειγμα, η αναπλήρωση 3000 kcal ενέργειας χρησιμοποιώντας μια καθημερινή διατροφή που περιέχει 110 g πρωτεΐνης, 90 g λίπους και 418 g υδατανθράκων θα απαιτούσε 633 L οξυγόνου (882 g) και θα οδηγούσε στον σχηματισμό 566 L (1122 g). του διοξειδίου του άνθρακα? η τιμή του αναπνευστικού πηλίκου σε αυτή την περίπτωση θα ήταν 0,89. Πρόσθετοι υπολογισμοί για αυστηρότερες καθημερινές δίαιτες θα παρέχονται παρακάτω στην ενότητα για τα τελικά προϊόντα του ανθρώπινου μεταβολισμού.
