З усіх аспектів дайвінгу теорія декомпресії, мабуть, найменш доступна. Це може бути мінне поле сухого наукового жаргону і складних принципів, які часто залишають читача у роздумі, цікаво, що на землі вони думають, це було б гарною ідеєю, щоб дізнатися більше про це! Щоб зробити речі гірше, наукові дослідники в даний час його вивченням є першими, що визнають, що ми дуже мало знаємо про декомпресію. Це дійсно обіцяє нічого доброго для решти з нас смертних.
Але це захоплююча частина дайвінгу, яка лежить в основі всього, що ми маємо дізнатися, спробувати і бути безпечними дайверами. Так ось це моя спроба зробити цю тему ще трохи досяжною і ми сподіваємося цікавішою. Але це величезний шмат предметної області, і просто викладення принципів займе кілька статей. Таким чином, тут йде.
Існує поширена помилка рекреаційної спільноти підводного плавання, що теорія декомпресії є добре зрозумілий процес. В той час, як наше розуміння стосовно без-декомпресійного занурення в межах ліміту 30 м, здається, добре працює для більшості людей (DCS виникає між 10-20 випадками в кожних 100000 занурень), DCS може проявлятися після занурення в межах консервативних лімітів. Виходячи за рамки рекреаційних меж, ви в основному стаєте морською свинкою для декомпресійних досліджень.
Дихання
Перш ніж говорити про насичення- вивільнення газами, ймовірно, гарною ідею, буде окреслити основи чому ми повинні дихати під водою в першу чергу. Відповідь є проста , тому що ми повинні дихати на суші, це очевидно. Але чому ми дихаємо? Те, що саме відбувається як ми це робимо?
Забувши про дайвінг на мить, на землі, повітря, яким ми дихаємо містить суміш приблизно 21% кисню (O2) і 79% азоту (N2). Це фактично 20.55% O2 і 78.08% N2 за об’ємом, з менш ніж 1% залишку, що складається з аргону, неону, гелію, криптону, водню, ксенону і двоокису вуглецю. Однак, оскільки існують ці гази в атмосфері в таких невеликих кількостях, ми просто зв’язуємо їх до купи з N2 і вони вважаються “інертні”, це означає, що хімічно та біологічно вони не реагують на наше тіло (на поверхні).
Дихання є процесом, вегетативним, але ми можна змінити це до певної міри. Коли ми хочемо, щоб вдихнути, зовнішні міжреберні м’язи грудної клітини напружуються а внутрішні міжреберні м’язи розслаблюються. Це тягне грудну клітину і відводить діафрагму далеко від легенів. Це зменшує тиск повітря в легенях, так що надходить повітря. Навпаки відбувається, коли ми видихаємо, збільшеним тиском повітря видавлюється з легенів.
При вдиху повітря змішується в легенях з газами, які вже там є. Це означає, що пропорції кожного газу, в наших легенях трохи відрізняються від того, що є в атмосфері. (Я розумію, що я кажу слово “легені” забагато). Одного разу…в легенях, повітря передається кровоносними судинами а потім артеріями, що забезпечує O2 клітини організму. O2 потім використовується для здобутку енергії. Як побічний продукт цього процесу виробляються CO2, який перелається назад в легені через вени. N2 є в повітрі, що знаходиться навколо тіла, також. Але він є (в основному) інертним, просто поширюється поки не досягне легенів і буде вигнаним разом з СО2. На поверхні кількість N2 у організмі залишається постійним. Для тих, хто ніколи не занурювався це кінець історії. Але для дайверів, цей процес стає більш складним, як ми спускаємося під воду та тиск збільшується.
Закон Дальтона, газообмін
Гази, яким ми дихаємо на глибині повинні бути такого тиску як тиск навколишні води, в іншому випадку було б неможливим для нас роздмухувати наші легені. Так що на 30 м тиск газів, в наших легенях 4 рази вище, ніж на поверхні, так що наш регулятор надає газ до нас у 4 ATA (4 рази вище щільність: 4 рази більше вживання повітря). Оскільки загальний тиск газу зростає зі збільшенням глибини, так само як і тиск окремих складових газів – парціальний тиск. Закон парціального тиску відкрито і названо на честь Джона Дальтона (захоплюючий персонаж). Законом Дальтона заявляється, що:
“Загальний тиск, що чиниться сумішшю газів-це сума тисків кожного газу, що складає суміш, якщо кожен займав той же обсяг”
Простіше кажучи, парціальний тиск є тиск газу в суміші газів. Додавання кожного окремого тиску разом дасть вам повний тиск. Так що для повітря на 30 м (4ATA), парціальний тиск N2 це 4 х 0.79 = 3.16. Парціальний тиск О2 є 4 х 0,21 = 0.84. Додати ці дві відповіді разом, і ви отримаєте 4ATA. Відсоток від кожного газу залишається той же, 79% для N2 і 21% для O2, але якщо навколишній тиск вище, парціальний тиск також буде вищим. Це відношення існує , тому що це, як ми відстежували, що відбувається з газами, як вони рухаються навколо нашого тіла, коли ми занурюємось. Ми також часто використовуємо одиниці міліметрів ртутного стовпчика (mmHg). Ще одним важливим законом газу важливим для нас є Закон Генрі. Але перш ніж ми перейдемо далі, давайте розглянемо знову процес дихання трохи більш докладно.
Повітря, що надходить до наших легенів рухається вниз трахеї і досягає двох бронхів – по одному на кожну з легенів. Як повітря рухається глибше в легені бронхи розділяються на менші гілки, що називаються бронхіоли, які продовжують розгалужуватися і ставати меншими. Це збільшує площу поверхні для газообміну. В кінці цих галузей є мільйони мішків, що називаються альвеолами, підкладки яких формують поверхні (alveolus), що дозволяє газам передаватися від легенів до кровотоку і назад. Неймовірно, легені середньої людини містять близько 600 млн альвеол. Якщо ви могли б покласти їх на підлогу (і не померти), вони б охопили площу поверхні 100 квадратних метрів! Товщина альвеол у 1000 разів менша за товщину людського волосся, і кожна з них оточена сіткою капілярів, що несуть кров до легеневої артерії. Крім того, що все це дивно дійсно дивовижна частина є те, що стіни альвеол, а також навколишніх капілярів мають товщину лише в одну клітину, що звуться епітеліальними клітинами (сплощеними). Це означає, що гази, які приходять до і від легень повинні долати тільки дуже невеликі відстані, шо збільшує швидкість газообміну і робить дихання дуже ефективним у нормальному здоровому тілі. Газообмін займає близько 1 секунди. Кров подорожуючи через капіляри легенів, в цей час стає майже 100% насиченою киснем і в той же час СО2, що утворюються в процесі метаболізму O2 переміщується назад в легені і буде видихнута.
Закон Генрі, дифузія і перфузія
Пам’ятаєте N2, що ми маємо в нашому тілі на рівні моря? Більшість з них розчиняються в нашій крові та інших тканинах, що, схоже, як покласти цукор в чашку чаю; той же процес, тільки не так солодко. Кисень хімічно пов’язаний з кров’ю по гемоглобіну, і під час занурення, він також розчиняється в нашій плазмі крові. Кількість N2, що розчиняються в наших тканинах, продиктована законом Генрі. Відкритий J. William Henry в 1800, закон Генрі говорить, що:
“При постійній температурі, кількість даного газу, розчиненого в заданому типі і обсязі рідини, прямо пропорційна частковому тиску, що має газ в рівновазі з цією рідиною”.
Перекладаючи на англійську, це означає, що кількість газу, який буде розчинятися в рідині збільшиться, як частковий тиск збільшується. Таким чином, коли ми спустимося під воду і частковий тиск газів в наших легенях збільшується, більше цього газу буде розчинятися в розчині. Однак, різні види газів мають різну розчинність, як і різні тканини організму; ще одна причина, чому теорія деко дуже складна.
Але як гази потрапляють в наші тканини організму за межі крові? Загальне питання протягом курсів декомпресії TDI. Відповідь є дифузія і перфузія. Дифузія це процес де рідина (газ або рідина) буде, за випадковим рухом атомів, переходити від високої концентрації градієнта (як атомів), до низької концентрації градієнта. Стильна аналогія капнути деяку кількість чорнил в бак води (на фото вище). Ви можете бачити з плином часу, що чорнило рухається назовні, поки вода не стане блідо-блакитною, і чорнило рівномірно розподіляється в баку. Сира аналогія, коли хтось пукає в ліфті-той же процес, важче продемонструвати на відкритих просторах повітря, або перед вашою матір’ю (не зображено на малюнку).
Гази розчиняються в крові в розмірах, визначених взаємодією закона Дальтона і закона Генрі. У разі N2, тіло вже насичено на рівні моря, так що дифузія, що відбувається в легенях, крові та тканинах незначна, всі вони містять рівні суми. Єдиним значним обміном є O2, що транспортується в тканини і метаболізується, і CO2, що повертається і назад в легені, і буде виведена Як бідна на кисень кров подорожує до легенів і її частковий тиск нижче, ніж в альвеолах (тому що деяка частина O2 була використана в тілі), так O2 дифузує в кров. Аналогічним чином, CO2 дифузує з тканин (як за продуктом метаболізму) в кров, яка будуть прийнята в легені і виведена. Курс газообміну описується законом Фіка (Fick), але немає необхідності вдаватися в це тут. По суті, легені і кровоток працюють в сукупності, щоб гарантувати, що концентрація градієнта для O2 така, що він подорожує з повітря до крові, в той час як CO2 буде подорожувати від крові до повітря. Як ми спустимося під воду під час занурення (ми будемо ігнорувати гелій зараз), N2 вступає в гру, як ми збільшуємо цей дифузійній градієнт-наші легені знаходяться в навколишньому тиск ( відповідно до глибини де ми є), тому частковий тиск кожного газу вище.
Варто зауважити, що підвищений тиск не штовхає гази в тканини, як це відбувається при накачуванні шини. Це випадкова дія переміщення атомів по концентрації градієнта. Це означає, що швидкість дифузії конкретного газу не залежить від інших газів в тканині. Таким чином, рух одного газу повністю не впливає на тиск градієнта іншого газу. Це пояснює, як O2 подорожує через альвеолярну мембрану в кров, в той час одночасно CO2 подорожує протилежним чином. Їх рух у протилежних напрямках повністю не залежить один від одного (не обов’язково вірно для N2 і He, в цьому випадку існує ізобарична контр дифузія, але це для іншої статті).
Все це дуже добре маючи гази, що дифузують в і з тканин, але це відбувається на дуже невеликій відстані. Отже, як все тіло стає постраждалим від цього газообміну? Ви, напевно, вже здогадалися, завдяки перфузії. Виходячи з французького дієслова “perfuser”, це означає “залити або через”. Це в основному означає приплив крові, або швидкість потоку крові. Дуже негарний спосіб аналогії, як перфузія працює разом з дифузією це як ставити сміття для збирачів сміття. Це біт дифузії-ви тільки повинні йти до передньої частини вашого будинку, щоб скинути сміття. Ви можете виробляти стільки сміття, як вам подобається, і залишити його на вулиці, але якщо сміттярі не приходять і не беруть його, єдине, що стається, це неприємне збільшення аромату вашої вулиці, і втрата використання тротуару. Однак, якщо вони приходять і регулярно забирають його, то немає відставання і ваша вулиця, сподіваюся, пахне приємним. Аналогічним чином, кров рухається навколо тіла, несучи гази від легенів (підбираючи сміття) і транспортуючи їх на менші і менші капіляри, поки ці капіляри стають тільки товщиною в одну клітину, яка дозволяє кисню потрапити в тканини (звалища-я сказав вам, що це була страшна аналогія). Під час дайвінгу, N2, розчинений в крові, також може ефективно дифузувати в тканинах через ті ж капіляри, тому що до тканин постійно надходить кров з розчиненими в ній газами. Різні тканини тіла забезпечуються кров’ю по різних ставках. Мозок, кров, серце і м’язи, добре забезпечуються, в той час як кістки, жири і хрящі погано забезпечуються. Для даної тканини, якщо напруга газу (наслідок високого часткового тиску) N2 в крові вище, ніж газовий натяг в тканині то N2 буде дифузувати в тканину-це процес газації. Це те, що відбувається на спуску і в нижній частині занурення. Під час сходження тканинний натяг може бути вище, ніж кровоносна напруга, що означає, що дифузія буде відбуватися в протилежному напрямку, приймаючи N2 назад у легені, що має ще менший частковий тиск N2 для даної тканини.
Теорія декомпресії, як це відноситься до реальних занурень, це все про кількісну оцінку двостороннього обміну газів, і забезпечення того, щоб ми не перевищували певні обмеження щодо тканинних напружень. Як ми контролюємо ці обмеження безпосередньо відноситься до нашого донного часу, максимальної глибини, і темпа сходження. Це стає все більш складним для технічного дайвінгу, особливо коли ми починаємо заглиблюватися, або більше, або як, використовувати різні гази, такі як trimix або геліокс для нижньої частини занурення, або гіпероксичних сумішей для збільшення темпів дифузії, або спробувати контролювати розмір і кількість мовчазних бульбашок у вільній фазі в наших тілах, на додаток до розчиненого газу в наших тканинах.
Ця стаття встановлює сцену для наступної, в якій я змалюю процеси газо насичення і газовиділення, і далі буду говорити про насичення, супернасичення, критичне супернасичення, М-значення, половину-часу і градієнти інертного газу-всі модні умови, які будуть мати більше сенсу коли одного разу я про це напишу!
Richard Devanney
References and further reading:
Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress. Available on Amazon.
Edmonds, C. McKenzie, B, Thomas, R. Pennefather, J. (2013), Diving medicine for scuba divers, 5th edition.
Vorosmarti, J, & Vann, R. Physics, physiology and medicine of diving.