Полярная одышка
Большая продолжительность холодного периода года представляет собой характерную особенность климата значительной части территории нашей страны. На Кольском полуострове время напряженной холодовой терморегуляции составляет в среднем 152 дня, в центральных районах Западной и Восточной Сибири - 210-270 дней, на арктическом побережье Крайнего Севера - 345 дней. При длительном пребывании на Севере у человека развивается комплекс характерных адаптационных изменений органов дыхания.
Клинически эти изменения проявляются в виде одышки и повышенной утомляемости при выполнении повседневной работы. Указанное состояние получило название «полярной одышки». Морфологические и функциональные изменения органов дыхания заключаются, прежде всего, в увеличении площади альвеолярной поверхности легких в среднем на 24 процента и объема легочных капилляров - на 39 процентов. Характерной особенностью процесса адаптации к экстремальным условиям Крайнего Севера является повышение систолического давления в легочной артерии выше 30 мм рт. ст., которое выявляется у большинства обследованных здоровых жителей Заполярья. Этому специфичному для высоких широт комплексу изменений были даны различные наименования: «Синдром полярного напряжения», «Магаданская пневмопатия», «Циркумполярный гипоксический синдром», «Экзогенная гипоксия Севера».
Были высказаны предположения, что в развитии этих изменений, наряду с холодом, играют роль и другие факторы природной среды Крайнего Севера. Однако длительное время их не удавалось определить. Или подозрительный фактор был недостаточно постоянен и характерен для высоких широт (низкое парциальное давление кислорода в атмосфере, сильные ветры), или он не мог быть причиной изменений организма, специфичных для жителей Крайнего Севера (колебания активности геомагнитного поля Земли).
Только в конце 80-х годов XX века был выявлен фактор природной среды, в такой же мере характерный для высоких широт, как и холод. Это - низкое абсолютное содержание водяных паров в атмосфере. Среднегодовое абсолютное содержание влаги в атмосферном воздухе приполярных областей ниже, чем в воздухе пустынь, так как при сильном морозе влага вымерзает. В районах холодного климата низкая абсолютная влажность характерна не только для открытого пространства, но и для жилых, служебных и производственных помещений, то есть сухость воздуха является постоянным фактором среды обитания. Каким образом холодный сухой воздух ухудшает условия газообмена в легких, до последнего времени остается невыясненным.
Изменение функции внешнего дыхания характерно как для коренного населения Севера, так и для переселенцев. Ученые обследовали проживающих в Республике Саха (Якутия) практически здоровых лиц двух основных этнических групп - якутов и русских. Минутный объем дыхания у тех и других в условиях основного обмена был повышен, что указывает на наличие гипервентиляции и заставляет искать причины ее развития. Жизненная емкость легких при сопоставлении с должными величинами для населения средней полосы России имела тенденцию к более высоким показателям, близким к верхним границам нормы. Показатели максимальной вентиляции легких, пневмотахометрии и резерва дыхания соответствовали верхним границам европейской нормы или несколько превышали ее. Для оценки эффективности легочной вентиляции определялся коэффициент использования кислорода (КИО2), отражающий количество миллилитров кислорода, потребляемого организмом из каждого литра воздуха, поступающего в легкие. Как у якутов, так и у русских, проживающих на Севере, он оказался меньше 35, что свидетельствует о низкой эффективности газообмена.
Таким образом, у практически здоровых лиц было выявлено развитие гипервентиляции и низкий коэффициент использования кислорода при отсутствии статистически достоверных различий сравниваемых показателей функции внешнего дыхания в двух сопоставимых по возрасту и полу этнических группах населения Республики Саха (Якутия).
Исследователи установили, что адаптация к экстремальным климатическим условиям Севера проходит несколько этапов. В период начальной адаптации к холоду происходит наращивание функциональных резервов за счет дополнительного раскрытия альвеол в верхних и средних зонах легких. При длительном проживании на Севере, более 10-15 лет, увеличение площади газообмена и расширение «рабочей зоны» диффузии осуществляется уже, главным образом, за счет морфологических изменений: увеличения размеров альвеол, а также количества, диаметра и объема капилляров, выбухающих в просвет альвеол. У этой группы населения давление крови в малом кругу значительно превышает нормальную величину, частота легочной гипертензии достигает 80 процентов. Вместе с тем возможность дальнейшего повышения морфо-функциональных адаптационных резервов у них оказывается уже достаточно исчерпанной. Поэтому большие физические перегрузки, курение, простуда вызывают нарастание гипоксемии и развитие деструктивных изменений легочной ткани. Это, в свою очередь, обусловливает частое возникновение и тяжелое течение острых и хронических патологических процессов в органах дыхания.
В физиологических условиях защита органов дыхания от неблагоприятных воздействий осуществляется несколькими взаимосвязанными системами и механизмами. На Крайнем Севере особое напряжение испытывает система кондиционирования вдыхаемого воздуха. В кондиционировании температуры и влажности вдыхаемого холодного воздуха важная роль принадлежит верхним дыхательным путям. При носовом дыхании температура воздуха, поступающего в трахею, лишь на 1-2оС ниже температуры тела независимо от температуры атмосферного воздуха. Процесс согревания регулируется рефлекторно. Чувствительные окончания тройничного нерва раздражаются струей холодного воздуха. Импульс через продолговатый мозг переключается на парасимпатические центры и достигает носовых раковин. Кавернозные ткани носовых раковин расширяются и переполняются кровью. Через сузившийся просвет носовых проходов воздух движется тонкой струей, омывая теплую поверхность слизистой оболочки. Благодаря этому согревание вдыхаемого воздуха осуществляется весьма интенсивно. На холоде для сокращения потерь тепла в верхних дыхательных путях изменяется характер дыхания: возникает частое поверхностное дыхание, иногда с явлениями ларингоспазма.
Увлажнение вдыхаемого воздуха также в основном происходит в полости носа за счет насыщения его влагой, покрывающей слизистую оболочку. Достаточная влажность воздуха необходима для оптимального функционирования мерцательного эпителия трахеи и бронхов, а также дыхательной поверхности альвеол. Дегидратация слизистого слоя, покрывающего реснички, увеличивает вязкость секрета, что снижает активность мерцательного эпителия. В средней полосе России для увлажнения вдыхаемого воздуха за сутки со слизистой оболочки носа здорового человека испаряется порядка 500 мг воды. На Севере, в условиях чрезмерно низкого содержания влаги в воздухе, происходит повышение влагопотерь с поверхности как верхних дыхательных путей, так и легких. Суточные потери воды с выдыхаемым воздухом достигают 1500 мл. Теплопотери испарением с поверхности легких составляют 42 процента всех теплопотерь организма за счет испарения вместо типичных для средней полосы 30 процентов.
В нагревании и увлажнении вдыхаемого воздуха принимает участие и ротовая полость. Однако в отсутствие носового дыхания ротовая полость не может обеспечить его полноценное кондиционирование.
В связи с повышением потерь влаги через легкие и кожу у полярников происходит сокращение диуреза в среднем до 600 мл в сутки, тогда как у жителей умеренной климатической зоны объем диуреза колеблется от 1200 до 1600 мл. Одновременно наблюдается увеличение водопотребления, получившее название «жажда Севера». Количество жидкости, потребляемой участниками высокоширотных экспедиций, повышается до 2500 мл в сутки, что примерно в 1,5 раза больше, чем средний уровень водопотребления у населения, проживающего в зоне умеренного климата.
Исследования показали, что восьмичасовое пребывание здоровых добровольцев в комфортных температурных условиях (+20оС), но при сниженной абсолютной влажности воздуха до значений, характерных для регионов Крайнего Севера (2 г/м3), вызывает увеличение кровенаполнения легких и повышение сосудистого тонуса. В условиях проводимого эксперимента причина выявленных изменений могла заключаться только в потере влаги в альвеолах. Эти изменения, по-видимому, преследуют цель сохранения нормальной текучести крови в легочных капиллярах в условиях потери влаги. Результаты исследований позволили определить физиологически оптимальную и допустимую величину абсолютной влажности вдыхаемого воздуха: 9,6 г/м3 и 5,7 г/м3 соответственно.
Основная причина снижения содержания кислорода в артериальной крови - гипоксемии - в условиях Севера заключается в нарушении диффузии газов (О2 и СО2) через альвеолярно-капиллярную мембрану легких. Движение воды и растворенного в ней кислорода и диоксида углерода через клеточные мембраны осуществляется путем диффузии в направлении меньшей концентрации. Возможности регулирования этого по своей сути физического процесса у организма крайне ограничены. В то же время направление этих диффузионных потоков в альвеолярной области легких в условиях высоких широт прямо противоположное. Вода из легочных капилляров просачивается на поверхность слизистой оболочки альвеол, а растворенный в ней кислород с поверхности альвеол перемещается в легочные капилляры. Указанная встречная диффузия, в конечном счете, снижает скорость перемещения кислорода. Тем самым понижается диффузионная способность альвеолярной поверхности по отношению к кислороду и уменьшается коэффициент использования кислорода (КИО2). Наоборот, однонаправленная диффузия воды и диоксида углерода усиливает гипокапнию.
В разнонаправленной диффузии воды и газов в альвеолярно-клеточной мембране, по нашему мнению, и заключается скрытая молекулярная первопричина характерного для Крайнего Севера ухудшения газообменной функции легких, возникновения интерстициального отека в нижних и базальных зонах легких, развития гипоксемии и гипокапнии.
На Севере, по-видимому, возможен и дополнительный механизм затруднения газообмена, связанный с нарушением теплового гомеостаза в глубоких отделах легких. Испарение влаги с поверхности альвеол вызывает дополнительные потери тепла. На испарение 1 мл воды, как известно, требуется 2,4 кДж. Усиленного кровенаполнения существующей капиллярной сети альвеол может быть недостаточно для поддержания необходимого уровня как газообмена, так и температурного гомеостаза. Обе указанные причины обусловливают развитие однонаправленных адаптационных морфологических изменений в легких, заключающихся в образовании в альвеолярных стенках новых капилляров, увеличении их диаметра и общей объемной плотности на единицу площади альвеолярных перегородок.
В физиологии и клинике исследуется дыхание при повышенном и пониженном атмосферном давлении. Для нашей страны не менее актуальным является изучение дыхания при нормальном атмосферном давлении, но при пониженной абсолютной влажности воздуха. Необходима оценка изменений функции внешнего дыхания у больных и здоровых лиц, проживающих на Крайнем Севере, с учетом, как уровня гипоксемии, так и гипокапнии, снижающей чувствительность дыхательного центра. Постоянный интерстициальный отек со временем приводит к развитию фиброзных изменений и понижению функции в нижних и базальных отделах легких. Лица с подобными изменениями органов дыхания должны подлежать переводу с работы на наружном воздухе.
Длительная гипоксемия, усиливающаяся в холодное время года, повышает свободно-радикальные процессы и снижает содержание антиоксидантов в организме, в частности витаминов С и Е, не столько вследствие дефицита их в пище, сколько благодаря повышенной утилизации. Как показывают исследования, в условиях Крайнего Севера оправдано проведение кратковременных двухнедельных курсов приема высоких доз пищевых антиоксидантов: аскорбиновой кислоты (по 25 мг на кг массы тела) и ?-токоферола (по 4 мг на кг массы тела) совместно в два приема утром и вечером. Целесообразно проведение двух таких курсов в год в зимний период, особенно лицам, злоупотребляющим курением, представляющим собой фактор высокого риска в условиях Севера.
Не менее велико на Севере отрицательное влияние и другой пагубной привычки - злоупотребления алкоголем. Легкие представляют собой самую большую мембрану нашего организма. Исходный «строительный материал» для клеточных мембран синтезируется в печени. Ухудшение функционального состояния печени снижает синтез фосфолипидов, необходимых для построения клеточных мембран. Одновременно уменьшается образование и антиоксидантных ферментов, и низкомолекулярных антиоксидантов (мочевой кислоты и др.), необходимых для нейтрализации избытка свободных радикалов. Все это ведет к ослаблению устойчивости органов дыхания к внешним воздействиям. Именно по этой причине пневмония алкоголика на Крайнем Севере представляет собой смертельное заболевание.
В северных районах в жилых и производственных помещениях следует поддерживать оптимальным не только температурный, но и влажностный режим воздуха, используя различные типы влагоувлажнителей непрерывного действия. Одежда и средства индивидуальной защиты органов дыхания также должны предотвращать пагубное влияние как холода, так и низкого абсолютного содержания влаги в атмосферном воздухе, для чего эффективны пушистые шерстяные шарфы, меховые воротники с длинным ворсом. Перспективны респираторы с устройством для подогрева вдыхаемого воздуха.
Борис ВЕЛИЧКОВСКИЙ,
академик РАМН, профессор Российского государственного медицинского университета
