ЗАМЕТКИ ФИЗИОЛОГА

Об авторе Фото Видео Музыка Описания Карты Ссылки Гостевая

При использовании материалов с сайта ссылка на источник обязательна!


ЗАМЕТКИ ФИЗИОЛОГА

В.С.Фарфелъ

Статья из сборника "Побежденные вершины" 1948г.

 

Во всей большой истории стремлений человечества познать строение земной коры и неизведанные ее районы трудно найти такие путешествия, которые не требовали бы от их участников, большого напряжения физических и духовных сил. Но из всех этих походов едва ли не наиболее ответственными по многообразию требований, предъявляемых к организму исследователя, являются высокогорные экспедиции. Требования эти настолько значительны, что преодоление высоких горных вершин возможно лишь при наличии специальной подготовки для этой цели и особой тренировки.

Нормальное физическое развитие, наличие определенных двигательных навыков, владение тонкой техникой скалолазания и передвижения по трудным снежным и ледяным покровам гор, высокое развитие сложных психофизических качеств — ловкости, выносливости, силы, не говоря уже о воле и упорстве, — все это необходимо для успешного горовосхождения. В нашей стране покорение горных вершин стало уделом не только специалистов-географов, но и в первую очередь спортсменов, а горовосхождения превратились в интересный, увлекательный и столь нужный вид спорта — альпинизм, выросший у нас в СССР из увлечения одиночек-энтузиастов в подлинно массовое движение.

Своеобразны условия, в которых действует восходитель. Альпинист попадает в условия солнечной радиации, значительно более сильной, чем на уровне моря. Ему приходится бороться с сильными ветрами, буранами, туманами; много и других опасностей — невидимые трещины ледников, камнепады, лавины — встречает он на своем пути. Но многие эти условия и трудности — если не вместе, то в отдельности — могут встретиться не только в высокогорье, но и в низинах. Сложные климатические условия, трудный тяжелый путь, отвесные скалы существуют и на высотах, не превышающих подчас и тысячи метров. Есть, однако, трудность, которая не встречается нигде, кроме как на больших горах — это сама высота. Высота характеризуется прежде всего пониженным атмосферным давлением, а вместе с тем и пониженным парциальным давлением кислорода. Последнее изменяется в пределах горных высот в точном соответствии с изменением атмосферного давления, поскольку содержание кислорода в смеси газов, составляющих воздух, остается на таких высотах неизменным, около 21%.

Парциальное давление кислорода принадлежит к категории тех величин, которые определяют работоспособность и самую жизнь организма. Снабжение тканей организма необходимым для их существования кислородом зависит от того, насколько полно происходит насыщение крови этим газом. Степень же насыщения крови кислородом определяется его парциальным давлением. Кислород не просто растворяется в крови: слишком низка для этого степень его растворимости в ней, чтобы обеспечить потребность тканей в кислороде. Кислород в крови вступает в химическую связь с гемоглобином, обладающим удивительнейшим свойством, способностью почти полностью насыщаться кислородом при относительно малом содержании последнего в воздухе. В воздухе, содержащем, как сказано выше, около 21 % кислорода, при нормальном атмосферном давлении, равном на уровне моря 760 мм ртутного столба, парциальное давление кислорода составляет 21 % от 760, т. е. 159 мм ртутного столба. В глубине легких, в альвеолах, где кислород поступает в кровь, содержание его значительно ниже, около 14%. Поэтому парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет всего 100—105 мм ртутного столба. Несмотря на это, гемоглобин крови, протекающей через легкие, насыщается кислородом почти полностью — на 96%. Лишь несколько частиц гемоглобина из сотни окажутся свободными от кислорода.

Этой способностью гемоглобина — почти полностью насыщаться кислородом при столь малом его парциальном давлении — 100 мм ртути — не исчерпываются его изумительные свойства. Особенно ярко они сказываются тогда, когда мы переходим в область пониженного атмосферного давления, в зону еще более низкого парциального давления кислорода. Оказывается, что степень насыщения гемоглобина кислородом отнюдь не стоит в простой пропорциональной зависимости от парциального давления кислорода. Последнее может сильно снижаться, но степень насыщения гемоглобина кислородом, несмотря на это, уменьшится незначительно. Цифры убедительно иллюстрируют сказанное нами.

Высота над уровнем моря в метрах

Атмосферное давление

Парциальное давление кислорода в мм. рт. ст. в наружнем воздухе

Парциальное давление кислорода в мм. рт. ст. в альвеолярном воздухе легких

Процентное насыщение гемоглобина кислородом

0

760

159

102

96

1500

630

132

85

93

3000

530

111

69

90

4500

430

90

52

80

6500

330

69

36

68

 

Эти данные показывают, что даже тогда, когда парциальное давление кислорода в легких уменьшится вдвое, гемоглобин окажется еще насыщенным на 80%. Благодаря этому удивительному свойству гемоглобина жадно присоединять к себе кислород даже при малых его давлениях оказывается возможным передвижение человека и жизнь его в горах. Конечно, 20—30% гемо­глобина, ненасыщенного кислородом, дают о себе знать, и организм испытывает в этих условиях явный кислородный «голод». Из цифр таблицы можно рассчитать, что на высоте Эльбруса, равной примерно 5600 м, давление составляет около 1/2 атмосферного и что гемоглобин насыщен кислородом немногим более 70%.

Как известно, явления кислородной недостаточности проявляются не только на «пятитысячниках», но и на значительно меньших высотах. Нетренированные к пребыванию на горных высотах люди жалуются на одышку уже на высоте 1500—2000 м, где насыщение гемоглобина крови кислородом всего лишь на несколько процентов ниже нормы. Естественно было бы предположить, что каждый процент снижения насыщения гемоглобина кислородом отрицательно скажется и на состоянии организма, ограничив его работоспособность. Поэтому важно было возможно точнее выяснить, в какой мере работоспособность человека страдает от высоты, поскольку способность выполнять физическую работу, и притом с тяжелой нагрузкой, особенно требуется от альпиниста-разведчика и покорителя горных вершин. Выполнение же такой работы требует прежде всего доставки тканям больших количеств кислорода, ибо чем напряженнее работа мышц, тем больше они потребляют кислорода: по сравнению с состоянием покоя потребность мышц в кислороде при такой работе может возрастать в 10—15 раз. Только при высоко слаженной деятельности всех физиологических систем, в частности — дыхательной и кровеносной, и высоком уровне деятельности каждой из них можно обеспечить работающие мышцы столь большой массой кислорода.

Малейший недостаток, например, в насыщении гемоглобина кислородом, может снизить и количество поглощаемого кислорода. Таковы были наши предположения, но для доказательства правильности их требовались фактические опытные данные. Необходимы были исследования, чтобы мы могли точно и верно судить о том, в какой мере пребывание на горных высотах снижает работоспособность человека, на каких именно высотах начинается это снижение. Об одной из таких попыток изучения дыхания и работоспособности человека на горных высотах и пойдет здесь речь.

В летние месяцы 1946—1947 гг. физиологическая лаборатория Государственного центрального научно-исследовательского института физической культуры организовала экспедиции в район Главного Кавказского хребта. Описываемые ниже исследования производились в 1946 г. в районе ущелья Адыл-су и ледника Кашка-таш (2200—2800 м) группой В.С.Фарфеля, М.В.Раскина и А.П.Борисова, в 1947 г.— у подножия Эльбруса (1800 м), на «Приюте одиннадцати» (4250 м) и на восточной вершине Эльбруса (5595 м) группой И.М.Фрейдберга, А.П.Борисова и О.М.Шуст.

Испытуемый дышал через дыхательный клапан-маску, оказывающую малое сопротивление дыханию; при вдохе наружный воздух поступал в легкие, при выдохе направлялся клапаном через широкий шланг в большой резиновый мешок. Собранный за определенное время в мешок выдохнутый воздух подвергался затем анализу: определялось его количество, содержание кислорода и углекислого газа. Расчеты позволяли узнать, какое количество кислорода использовал организм, сколько образовалось в нем за это же время углекислоты.

Принятие выдыхаемого воздуха производилось у испытуемого во время работы, бега на месте. Сначала три минуты альпинист бежал в умеренном темпе, и за это время дыхание, кровообращение и другие физиологические функции успевали заметно усилиться. В течение третьей минуты скорость бега возрастала и с начала четвертой минуты наступала максимальная скорость. Такой предельный темп испытуемый старался удержать в течение одной минуты. В это же время последовательно брались пробы выдыхаемого воздуха через каждые пол­минуты в два мешка.

Многочисленные предварительные опыты в нашей лаборатории показали, что таким путем удавалось установить «кислородный потолок» организма, то наибольшее количество кислорода, которое данный человек в состоянии потребить за одну минуту. Эта величина была довольно точным выражением дыхательных возможностей организма, той максимальной интенсивности окислительных процессов, которая может быть достигнута при мышечной работе испытуемого. Опыты над представителями различных видов спорта показали, что наивысшего кислородного потолка достигали высокотренированные мастера спорта, более низкого — менее тренированные спортсмены, самого малого — люди, не занимавшиеся спортом. Величина кислородного потолка, следовательно, тесно связана со степенью тренированности, отражая уровень физической работоспособности.

Поэтому исследования кислородного потолка были для нас основным методом оценки влияния горной высоты на организм. Испытуемыми были как сами экспериментаторы, так и участники двух альпинистских лагерей. Большинство из них исследовались также и в Москве. Количество обследованных на разных высотах достигало 15 человек, и только на вершине Эльбруса был проверен лишь один человек.

Оставляя в стороне частные выводы, мы рассмотрим главные факты. Приняв величину кислородного потолка, обнаруженную у испытуемых в Москве, за единицу, мы выразили по отношению к ней те величины, которые были зарегистрированы на различных высотах.

 

Высота над уровнем моря   в метрах

0

1800

2200

2800

4250

5595

Относительная величина «кислородного потолка»   

1

1,01

1,02

0,99

0,84

0,62

Мы видим из этого, что кислородный потолок понижается только на значительных высотах, а по крайней мере до 3000 м он может быть таким же, как и на уровне моря. Это значит, что даже при самой напряженной работе на этих высотах мышцы могут быть обеспечены нужным количеством кислорода, а физическая работоспособность организма, несмотря на значительное падение атмосферного давления, почти на 250 мм ртутного столба, может не снижаться.

Заметное снижение работоспособности начинается лишь на более значительных высотах, вероятно, от 3000 до 3500 м. Во всяком случае на высоте 4250 м предельная работоспособность может уже снижаться на 20%, а на высоте 5500 м, где атмосферное давление падает вдвое, почти на 40%. Понятно, что индивидуальные отклонения могут быть значительными и приведенные нами цифры не могут считаться типичными для любого человека, хотя вместе с тем они и дают общее представление о снижении физической работоспособности, с набором высоты. Эти данные, не стоящие в большом противоречии с данными исследователей, использовавших другие способы, подтвердили правильность положения, установленного практикой альпинизма, что собственно высокогорный климат начинается, примерно, с высоты 3000 м.

Естественно теперь задать себе вопрос: каким же путем организм оказывается способным обеспечить себя предельным количеством кислорода на одних высотах и почему на больших высотах эта способность все более снижается? Ответ на это мы находим не только в цифрах насыщения кислородом гемоглобина, но также и в наблюдениях над максимальным усилением дыхания.

Когда мы говорили о величине кислородного потолка, речь шла о количестве газа, измеряемого при нормальных условиях, обычном давлении и температуре в 0°. Иначе говоря, под единицей объема газа понималась всегда определенная его масса, весовое количество. Когда же речь шла о том, что величина «кислородного потолка» на сравнительно малых высотах не меняется, это означало, что здесь организм может получать в единицу времени одинаково большую массу кислорода. Возникал новый вопрос: какой же объем воздуха должен был проходить для этого через легкие?

Как указывалось нами, содержание кислорода в воз­духе, независимо от давления воздуха, равно приблизительно 21 %. Однако из этого объемного количества организм использует лишь некоторую часть, обычно около 4%, остальные 17% выдыхаются наружу. Поэтому, если потребление кислорода достигает, например, 4 л в минуту, то объем воздуха, проходящего через легкие, должен составлять приблизительно 100 л в минуту.

Если такой объем воздуха вентилирует легкие на уровне моря, то каким же он должен быть, когда организм находится на горных высотах, в условиях разреженного воздуха? При давлении в 760 мм для потребления 4 л кислорода через легкие должно пройти до 100 л воздуха, при меньшем же давлении, например 600 мм, через легкие должен пройти соответственно больший объем воздуха, чтобы масса содержащегося в нем кислорода сохранилась прежней. Объем воздуха, вентилирующего легкие, должен увеличиться в отношении 760:600, т. е. приблизительно на 25%, так как по общеизвестным физическим законам объем воздуха изменяется обратно пропорционально изменению его давления. Когда мы измеряли при определении кислородного потолка объем воздуха, проходящего через легкие, оказалось, что в среднем этот объем действительно увеличивается соответственно снижению атмосферного давления, но только до определенной степени снижения последнего.

Примем величину атмосферного давления Р на уровне - моря равной единице и отнесем к ней соответствующие величины давления на высотах. Также за единицу при­мем мы и объем воздуха V, проходящего через легкие в одну минуту (величина «легочной вентиляции») при определении кислородного потолка на уровне моря и выразим по отношению к этой единице соответствующие величины легочной вентиляции на исследованных высо­тах. Мы получим тогда следующие ряды цифр:

 

Высота над уровнем моря

0

1800

2200

2800

4250

5580

V

1

0,81

0,78

0,73

0,6

0,51

 

1

1,25

1,26

1,35

1,39

1,22

P V

1

1,01

0,98

0,99

0,83

0,62

Мы видим, что до высоты 2800 м легочная вентиляция действительно возрастает почти в точном соответствии со снижением атмосферного Давления, отчего произведение давления воздуха Р на его объем V, т. е. PV, практически остается постоянным. Но на больших высотах эта цифра уже резко снижается вследствие недостаточного возрастания объема воздуха, вентилирующего легкие; на вершине же - Эльбруса легочная вентиляция оказалась даже снизившейся. Однако мы еще не уверены в том, что полученная цифра достаточно типична для этой высоты. Дело в том, что в 1947 г. вследствие исключительно неблагоприятных климатических условий экспериментаторам удалось поставить на вершине Эльбруса только одно наблюдение, причем сам испытуемый к моменту опыта был достаточно утомлен трудным восхождением. Вероятно, в более нормальных условиях его легочная вентиляция могла бы достигнуть того же увеличения, что и на «Приюте одиннадцати», но и тогда произведение РV равнялось бы лишь 0,70.

Спрашивается: почему же на больших высотах не может продолжать свое увеличение легочная вентиляция? По той причине, что уже достигнут возможный ее предел. Даже на уровне моря необходимая для обеспечения предельного потребления кислорода легочная вентиляция достигает 100 л воздуха в минуту, а иногда и больше. Возрастание ее до 130—140 л в минуту требует уже предельной нагрузки легких. Дыхание при такой мощной работе достигает частоты 40—60 в минуту, объем каждого дыхания доходит до 3/4 всего возможного объема легких (их жизненной емкости). Это уже предельная глубина дыхания, возможная при наивысшей его частоте.

Теперь станет понятно, почему предельное потребление кислорода сохраняется приблизительно одинаковым до высоты 3000 м, а на больших высотах снижается. До высоты 3000 м объем воздуха, проходящего через легкие, еще может возрастать, чтобы обеспечить поставку нужной организму массы кислорода. На больших же высотах объем легочной вентиляции больше не возрастает, а при сниженной плотности воздуха естественно уменьшается и масса содержащегося в нем кислорода. Поэтому-то при напряженной физической работе снабже­ние кислородом организма на больших высотах будет недостаточным, снизится и мощность выполняемой работы. Снижение кислородного потолка на высоте 4250 м почти на 20% означает, что примерно на такой же процент будет снижена и максимальная работоспособность. К высоте 5500 м она снизится на 30—40 %.

Возникает еще один вопрос: имеет ли прямое отношение к действиям альпиниста в горах такой показатель работоспособности, как кислородный потолок? Такой вопрос был задан мне группой альпинистов, раскинувших летом 1946 г. свой лагерь у ледника Кашка-таш, когда я поделился с ними первыми результатами исследований.

Кислородный потолок, как мы уже говорили выше, определяется при интенсивном беге на месте, соответствующем по напряжению бегу на 400 м. Из этого можно было сделать вывод, что высокий кислородный потолок нужен, видимо, спортсменам, которые на протяжении сравнительно короткого времени развивают высокий темп движения, работая в полную силу. Возражения альпинистов сводились к тому, что им не приходится развивать мощности, типичной для бегуна на короткие дистанции. Альпинистам не нужно мчаться, что называется, во весь дух. От них требуется работа в умеренном темпе, иначе они не смогут совершать длительные восхождения. Не возражая против того, что величийа «кислородного потолка» в известной мере служит измерением работоспособности спортсмена, мои собеседники высказывали сомнение в том, что она отражает и работоспособность альпиниста, что от нее в какой-то степени зависит его выносливость.

Было решено выяснить этот вопрос экспериментальным путем, начав с автозксперимента, т. е. проведенного на самом себе. Подопытным стал сам физиолог; он не был альпинистом, никак нельзя было назвать его и тренированным спортсменом. При многократных испытаниях «кислородного потолка» его организм потреблял не больше 2,5—2,7 л кислорода в минуту. У спортсменов же такого же веса и роста «потолок» составлял 3—4 л, у более выдающихся представителей спорта достигал 5—5,5 л в минуту.

Испытуемому были укреплены на спине нетяжелые газовые часы, регистрирующие количество выдыхаемого воздуха через дыхательную маску. Снаряженный таким образом человек начинал восхождение по склону высотой в 600 м, стремясь пройти этот путь с наивозможной для себя быстротой. Следовавшие с ним ассистенты вели непрерывный подсчет числа дыханий и количества выдыхаемого воздуха, в захваченные резиновые мешки они забирали на пути пробы воздуха для последующего его анализа.

Подъем был совершен за полтора часа, рекордное для данного испытуемого время. Потребление кислорода во время восхождения составляло в среднем 1,93 л в минуту. Как указывалось выше, обычный «кислородный потолок» у этого испытуемого равнялся всего 2,7 л в минуту. Следовательно во время восхождения уровень потребления кислорода составлял примерно 70% от предельной для данного лица величины.

Подобный же опыт был произведен и с молодым, но опытным альпинистом. Он совершил по тому же пути восхождение на ту же высоту, также с возможной для него скоростью, значительно превышавшей ту, которую смог развить нетренированный. Альпинист поднялся, за 52 минуты, потребляя ежеминутно 2,5 л кислорода, что примерно равнялось «кислородному потолку» нетренированного. Это было возможно благодаря тому, что собственный «кислородный потолок» альпиниста был соответственно выше, равняясь обычно 3,5 л в минуту. Как и у первого испытуемого, уровень потребления кислорода при восхождении составлял также 70% «кислородного потолка».

Мы могли сделать теперь вывод, что большая ско­рость восхождения связана и с большим потреблением кислорода в единицу времени, а возможный уровень потребления зависит от «кислородного потолка» испытуемого. Отсюда было ясно, что и размер «кислородного потолка» при всех прочих равных условиях определяет скорость восхождения. Таким образом, если бы «кислородный потолок» альпиниста равнялся не 3,5 л в минуту, а, например, 5 л, он мог бы развить при восхождении еще большую скорость; используя те же 70% своих возможностей, альпинист потреблял бы не 2,5, а 3,5 л кислорода в минуту. Обладая таким «кислородным потолком», он совершил бы восхождение не за 52 минуты, а менее чем за 40 минут.

Опыты были повторены в следующем году на большем числе испытуемых. Исследования проводились на высоте 1800 и 4250 м. Напомним, что «кислородный потолок» на второй высоте, примерно, на 20% ниже; соответственно более низким оказался и уровень потребления кислорода при восхождении. По отношению к «кислородному потолку» на высоте 4250 м он составлял те же 70%, но по отношению к «потолку» высоты 1800 м или уровню моря равнялся всего 55%.

Было просмотрено также, как влияет на величину потребления кислорода вес рюкзака. Если испытуемый, неся груз, также старался совершить подъем возможно быстрее, уровень потребления кислорода оказывался у него таким же, как и при подъеме без груза. Снижалась лишь скорость подъема. В среднем вес испытуемого вместе с рюкзаком был на 22% выше, чем вес самого восходителя, и в то же время скорость восхождения с грузом снижалась на 24%. Это свидетельствовало о том, что в обоих случаях испытуемые развивали примерно одинаковую мощность работы, потребляя при этом одинаковое же количество кислорода.

Потребление кислорода, а следовательно, и расход энергии на метр пути и на килограмм общего веса, не были постоянными. Абсолютное значение этой величины зависело, конечно, от профиля и характера пути. При восхождении по снегу расход энергии на каждый метр подъема вызывал вдвое больший расход энергии, чем при подъеме по травянистому склону. Но при всех прочих равных условиях уровень расхода энергии, величина потребления кислорода, а следовательно и скорость восхождения определялись величиной «кислородного потолка».

Нельзя, конечно, делать вывода о том, что вся выносливость, все способности альпиниста определяются только его «кислородным потолком». Альпинизм требует не только развития всех психофизических качеств человека — силы, ловкости, выносливости, находчивости, смелости, но также и высоких моральных и волевых качеств. Поэтому-то так сложна и многообразна тренировка альпиниста. Если же альпинист в межсезонный и предсезонный период будет повышать свой «кислородный потолок» плаванием, бегом, велосипедом, лыжами, греблей, — он обеспечит совершенствование своего организма, успешнее будет затем справляться с большими, но увлекательными трудностями при штурме горных вершин.