Изобарическая контрдиффузия биологически инертных газов

ИЗОБАРИЧЕСКАЯ КОНТРДИФФУЗИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
Изобарическая контрдиффузия биологически инертных газов – явление возникающее при
диффузии двух газов с различными проникающими способностями и приводящее к
повышению суммарного напряжения в диффузионном барьере. Проникающая
способность газа есть функция его растворимости и диффузионной способности.
Механизм контрдиффузии согласно Хиллсу [Hills BA Supersaturation by counterperfusion
and diffusion of gases. J. Appl. Physiol.: Respira. Environ Exercise Physiol. 42:758-760] таков
(рис.1): газы, обладающие большей проникающей способностью в свободном состоянии
находится по одну сторону от некой мембраны, служащей диффузионным барьером. По
другую сторону находится однородная насыщенная газом с меньшей проникающей
способностью среда.
Рис.1 Кинетическая модель изобарической контрдиффузии Хиллса: однородная
ткань отделена от окружающей среды диффузионным барьером. Тело находится в
атмосфере быстро диффундирующего газа – гелия, тогда как вдыхаемый газ – азот –
диффундирует медленно. Гелий насыщает ткань быстрее, чем азот рассыщает, что
сказывается в виде пересыщения диффузионного барьера и образовании пузырей в
нем.
В момент контакта газы начинают диффундировать в противоположных направлениях.
Суммарное напряжение газов в мембране в этом случае возрастает и может превысить
давление окружающей среды, то есть мембрана станет пересыщена. Такая ситуация, как
известно, может привести к образованию пузырьков в мембране. Рассмотрим ситуацию,
возникающую в организме дайвера при «неблагоприятном» переключении дыхательной
смеси под водой: полость, заполненная быстрым газом – гелием (пространство между
сухим костюмом и телом, легкие, полость среднего уха) контактирует через
диффузионный барьер (кожа, стенки каппиляров и т.п.) с хорошо снабжаемой кровью
тканью, насыщенной медленным газом - азотом (собственно кровь или другая быстая
ткань). Оба газа диффундируют по градиентам напряжений в соответствии с
коэффициентами диффузии и растворимостями. Гелий называется более быстрым, чем
азот газом, так как, несмотря на меньшую его растворимость как в водных так и в
липидных средах, диффузионная способность его выше в обоих случаях. Таким образом,
гелий насыщает ткань мембраны (диффузионного барьера) быстрее, чем азот рассыщает.
В результате имеем локальное пересыщение мембраны (например, кожи). Пересыщение
может быть довольно велико и способно перекрывать вакансию парциального
напряжения, образующуюся при метаболическом превращении кислорода в углекислый
газ (кислородное окно) с запасом, в результате, превышая М-оценку для данной ткани.
Результатом может явиться образование свободной фазы – пузырей газа. Особенно такой
исход вероятен при наличии пузырьков в мембране до переключения смесей. В таком
случае они служат затравкой и облегчают образование газовой фазы. Образование
пузырей в условиях изобарической контрдиффузии наблюдается в течение длительного
времени (при условии наличия достаточного объема быстрого газа и высокой скорости
перфузии). Общее напряжение ткани мембраны при изобарической контридиффузии
возрастает при:
•
•
•
•
•
увеличении внешнего давления (!) (чем глубже переключение, тем опаснее)
уменьшении скорости перфузии
уменьшении толщины диффузионного барьера
увеличении площади диффузионного барьера
использовании газов с сильно различающимися проникающими способностями
(например SF6 и He, хотя пара N2 и He тоже работает)
Из всего вышесказанного следует, что изобарическая контрдиффузия не является
самостоятельным заболеванием. Это явление, возникающее при перемене дыхательной
смеси и приводящее к развитию ДКБ без изменения внешнего давления.
В настоящее время можно условно выделить 3 типа изобарической контрдиффузии в
зависимости от локализации (рис.2):
Рис.2 Изобарическая контрдиффузия. Классификация по месту возникновения.
1. поверхностная контрдиффузия
Возникает в той ситуации, когда дайвер переключается с тримикса на декомпрессионный
найтрокс, находясь при этом в атмосфере тримикса (поддув сухого костюма запитан от
донного тримикса). «Исторический» вид контрдиффузии – наблюдался во время
экспериментов по функционированию легких при высоких давлениях Ламбертсеном и
Lambertsen CJ, Idicula J A new gas lesion syndrome in man, induced by “isobaric gas
counterdiffusion” J. Appl. Physiol. 39(3): 434-443 1975 коллегами в 1971 году. Испытуемые
находились в барокамере, заполненной нормоксическим (для данной глубины) гелиоксом
при высоких давлениях (эквивалентных глубинам до 380 метров морской воды) и
периодически меняли дыхательные смеси в различных последовательностях. Дыхание
осуществлялось через маску. Среди наблюдавшихся симптомов – «крапивница» и жжение
– кожная форма ДКБ.
Кожа в данном случае играет роль диффузионного барьера (рис.1) между атмосферой,
богатой гелием (быстрым газом) и кровеносными сосудами, насыщенными медленным
азотом.
Подобная ситуация нередко приводит к кожной форме ДКБ. Следует избегать поддува
сухого костюма гелийсодержащими смесями хотя бы по этой причине.
2. контрдиффузия глубоких тканей
Происходит при смене дыхательной смеси с медленной на быструю. В нашем случае –
дайвер переключается с воздуха/найтрокса после достаточного насыщения
на
тримикс/гелиокс. Последствия могут быть куда более неприятными, нежели в первом
случае. Встречается такое нечасто. А именно только лишь при выполнении «перерывов на
донной смеси», так называемых эир-брейков, после длительных глубоководных
погружений для предотвращения кислородного отравления. Делать ли эир-брейки на
донном тримиксе – решайте сами. Конечно, поскольку эир-брейки, как правило,
требуются ближе к концу погружения, то ткани в достаточной степени рассыщены да и
глубина невелика. Но, береженого Бог бережет. На наш взгляд лучше использовать для
этой цели «мягкий» найтрокс или ран-газ с невысоким содержанием гелия. Не стоит также
поддаваться на искушение подышать тримиксом на дне после длительного времени
проведенного на воздухе.
Таким образом, правило 1 – не поддувать сухой костюм тримиксом при дыхании
найтроксами, правило 2 – не переключаться с найтрокса на тримикс. На первый взгляд все
довольно просто. Многие авторы даже советовали как можно скорее переходить на смеси
богатые азотом с целью ускорения декомпрессии (тут имеет место быть обратный эффект
– гелий рассыщает ткани быстрее, чем азот насыщает) [Lambertsen CJ, Idicula J A new gas
lesion syndrome in man, induced by “isobaric gas counterdiffusion” J. Appl. Physiol. 39(3): 434443 1975; Strauss RН, Kunkle TD Isobaric Bubble Growth: A Consequence of Altering
Atmospheric Gas, Science 186:443-444 1974] Но есть, по крайней мере, еще один частный
случай котрдиффузии, требующий более аккуратного подбора смесей, а именно
3. контрдиффузия внутреннего уха
Прежде чем приступить к подробному рассмотрению кинетической модели внутреннего и
среднего уха, вспомним его строение (рис3). Внешнее ухо состоит из ушной раковины и
наружного слухового канала. Среднее ухо отделено от внешнего при помощи барабанной
перепонки и соединено с носоглоткой евстахиевой трубой. От внутреннего уха - двумя
мембранами – круглым и овальным окнами. Внутреннее ухо содержит орган равновесия и
орган слуха и представлено мембранным и костным лабиринтами. Мембранный лабиринт
расположен внутри полой системы костного лабиринта. Он заполнен жидкостью, которая
называется эндолимфа. Похожая жидкость - перилимфа, находится между мембранным
Рис.3 Строение наружнего, среднего и внутреннего уха.
Рис.4 Кинетическая модель внутреннего уха согласно Дулету и Митчеллу.
Сосудистый компартмент с хорошим кровоснабжением обменивается инертным
газом с соседними эндолимфатическим и перилимфатическим компартментами. Все
компартменты однородны. Инертный газ также диффундирует из полости среднего
уха во внутреннее через круглое окно. Потоки инертных газов в этих структурах
могут вызвать пересыщение.
лабиринтом и стенкой костного лабиринта. Часть лабиринта, выступающая в роли
слухового органа, из-за своей формы называется улиткой. Улитка состоит из трех
свернутых вместе каналов – барабанной, средней и вестибулярной лестниц.
Вестибулярная и барабанная лестницы заполнены перилимфой. Средняя лестница
заполнена эндолимфой.
Итак, допустим, дайвер совершает глубокое тримиксное погружение. После «продувки
ушей» в полости среднего уха находится донный тримикс. Допустим, также, что дайвер
переключается с донной смеси, скажем, на воздух. Согласно кинетической модели,
разработанной не так давно Дулетом и Митчеллом [Doolette D.J., Mitchell SJ Biophysical
basis for inner ear decompression sickness. J Appl Physol 94:2145-2150, 2003] – рис.4 –
внутренне ухо представлено набором трех однородных компартментов –
эндолимфатический, перилимфатический и сосудистый, представляющий из себя
мембранный лабиринт, насыщенный кровеносными сосудами. Инертный газ
диффундирует из среднего уха во внутреннее через круглое окно (овальное большей
частью закрыто слуховыми косточками). Во внутреннем ухе газ также диффундирует из
сосудистого компартмента в эндо- и перилимфатический. Итак, при переключении с
донного тримикса на смесь с высоким содержанием азота, кровь быстро насыщается
азотом, а в полости внутреннего уха продолжает находиться гелий. В результате
контрдиффузии азота и гелия происходит дополнительное насыщение сосудистого и
эндолимфатического компартментов, что подтверждено модельными экспериментами.
Результатом контрдиффузии внутреннего уха может явиться аудиовестибулярная форма
ДКБ, выражающаяся в сильном головокружении, дезориентации, тошноте и т.д. Все эти
симптомы наблюдались при проведении экспериментов Ламбертсеном (см. выше). Это
наиболее опасное последствие «неблагоприятного» переключения смесей. Не следует
резко понижать содержание гелия в промежуточных смесях, особенно учитывая то, что на
всплытии ткани и без того пересыщены. Правильной практикой стоит считать также
поддержание максимального парциального давления кислорода в декомпрессионных и
промежуточных смесях (образующаяся вакансия парциального давления в венозной крови
компенсирует в какой-то мере повышение напряжения за счет контрдиффузии).
Трудно давать точные рекомендации относительно подбора ран-газов. Несмотря на то, что
период полунасыщения для тканей внутреннего уха известен, модельные эксперименты и
расчеты не дают полной корреляции с действительностью. Пока что эта тема открыта для
исследований.
В заключение, хочется добавить, что все вышесказанное, имеет непосредственное
отношение лишь к очень глубоким тримиксным погружениям (по крайней мере глубже
100 метров). А по мере увеличения глубины риск ДКБ, ассоциированной с
контрдиффузией многократно возрастает, так как величина возникающего пересыщения
прямо пропорциональна внешнему давлению [Hills BA Supersaturation by counterperfusion
and diffusion of gases. J. Appl. Physiol.: Respira. Environ Exercise Physiol. 42:758-760].
Анна Козлова, инструктор TDI/SDI
Андрей Чистяков, инструктор-тренер TDI/SDI
www.diverclub.ru
Дахаб-Москва, 2007
Статья опубликована в журнале DiveTek (август 2007)