Причины и механизмы потери сознания при занятии фридайвингом (подводным плаванием на задержке дыхания)

Обучение фридайвингу в СПб
В данной статье рассмотрены причины потери сознания при занятии фридайвингом (подводным плаванием на задержке дыхания). Подробно описаны механизмы потери сознания при погружениях на задержке дыхания. Введена классификация видов потери сознания при занятии фридайвингом. Предложены рекомендации по предотвращению и профилактики потери сознания во время занятия фридайвингом. Обосновывается мысль о том, почему потеря сознания из-за недостатка кислорода при занятии фридайвингом не возникает внезапно без предварительных симптомов. Определяются причины, по котором у фридайверов не возникает кислородное отравление и воздушно-газовая эмболия при быстром всплытии.

Прежде чем приступить к рассмотрению того, как и почему человек во время задержки дыхания под водой может потерять сознание, необходимо подробно описать то, как функционирует дыхательная система человека на земле.

Физиологический акт дыхания состоит из 4 этапов:

  1. Внешнее дыхание. Человек делает вдох и воздух поступает в легкие человека. А именно в легочные альвеолы. Если говорить упрощено, то альвеолы – это маленькие мешочки из ткани, пропитанные кровеносными сосудами.
  2. Газообмен в лёгких. Атмосферный воздух, который поступил в альвеолы состоит на 79% из азота (N2) и 21% кислорода (O2). В легких он смешивается с углекислым газом (CO2), какой-то объем которого остался в легких после выдоха. Каждый газ, находящийся в легких имеет свое парциальное давление (далее просто давление). Нас интересуют два газа участвующих в жизнедеятельности человека: кислород и углекислый газ. Давление O2 в альвеолах непосредственно после вдоха ≈ 100 мм рт. ст., CO2 ≈ 40 мм рт. ст. В крови, которая приливает к альвеолам, также находятся все те же растворенные газы. Давление O2 в венозной крови ≈ 40 мм рт. ст., CO2 ≈ 46 мм рт. ст. Стенки альвеол очень тонкие, и из-за разницы давления согласно закону Фика происходит диффузия газов. Кровь насыщается кислородом, а в альвеолы из крови переходит CO2. Венозная кровь превращается в артериальную, в которой давление O2 ≈ 100 мм рт. ст., CO2 ≈ 40 мм рт. ст.
  3. Транспорт газов кровью. Далее кровь переносит газ по организму человека. Кровообращение человека состоит из двух последовательно соединённых кругов: малого и большого. По малому кругу кровь циркулирует через лёгкие и насыщается кислородом. Потом кровь возвращается в сердце, и сердце выталкивает кровь на большой круг. Большой круг кровообращения снабжает насыщенной кислородом кровью органы и ткани.
  4. Тканевое (клеточное) дыхание. В органах и тканях происходят биохимические реакции, в ходе которых высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организма. В ходе реакций потребляется O2 и выделяется CO2, поступающий обратно в кровь. Кровь из артериальной (обогащенной O2) превращается в венозную (обогащенную CO2). Венозная кровь по большому кругу возвращается в сердце, и сердце выталкивает кровь снова на малый круг, где она снова насыщается кислородом. Цикл кровообращения повторяется.
  5. Стимуляция дыхательного центра. Постепенно в крови повышается содержание CO2. На повышенное содержание CO2 в организме человека реагируют центральные (расположены у вентральной поверхности продолговатого мозга) и периферические (расположены в аорте и сонной артерии) хеморецепторы. Они подают сигнал об этом головному мозгу, который в свою очередь дает команду на выдох-вдох. Важно для понимания то, что понижение уровня O2 практически никак не влияет на стимуляцию дыхательного центра. Газовый состав в легких обновляется. Начинается новый цикл дыхания.
Описав процесс дыхания на суше можно приступить к тому, что же может привести к потере сознания при задержке дыхания под водой.

Первая большая группа причин потери сознания при занятии фридайвингом – это потеря сознания из-за повышения или понижения парциального давления газов в крови. В данной группе я выделяю три вида потери сознания: гипокапническая, гипоксическая и гиперкапническая.

1. Гипокапническая (из-за низкого содержания углекислого газа в крови) или потеря сознания при всплытии. Механизм возникновения. Когда фридайвер задерживает дыхание и погружается под воду внешнее давление повышается и объем газа в легких фридайвера обратно пропорционально уменьшается согласно закону Бойля–Мариотта. То есть на глубине 10 метров, где давление составляет 2 атмосферы, объем газа в легких уменьшится в 2 раза от его объема на поверхности; на глубине 20 метров, где давление составляет 3 атмосферы, объем газа в легких уменьшится в 3 раза, и т.д. Притом важно обратить внимание, что самый большой перепад объема (в 2 раза) происходит на первых 10 метрах погружения. Предположим, на поверхности объем газов в легких 3 литра, на глубине 10 м он будет составлять 1,5 литра, на 20 метрах – 1 литр и т.д.

При уменьшении объема газа его давление обратно пропорционально увеличивается. То есть, если на поверхности давление СO2 в альвеолах было 40 мм рт. ст., то на глубине 10 м, где объем газа уменьшится вдвое, давление СO2 будет составлять 80 мм рт. ст., на глубине 20 м – 120 мм рт. ст. и т.д. Давление же CO2 в венозной крови, которая приливает к альвеолам для газообмена, остается прежней. То есть те же самые 46 мм рт. ст. Это дает такой эффект, что при погружении углекислый газ вместо того, чтобы стремиться из крови в легкие, диффундирует наоборот из легких в кровь, еще больше насыщая кровь углекислым газом и в тоже время уменьшая содержание CO2 в легких.

Таким образом, чем глубже и чем дольше фридайвер находится под водой, тем меньше углекислого газа остается в его легких.

При всплытии газ в легких фридайвера расширяется, занимая первоначальный объем. Давление CO2 в легких соответственно уменьшается. CO2 снова стремится из венозной крови в легкие.

Опасность данной ситуации состоит в том, что может возникнуть слишком большая разница между давлением CO2 в крови и в легких при всплытии. И в легкие диффундирует слишком много CO2 из крови.

Углекислый газ жизненно необходим организму. Благодаря ему происходит переход кислорода из крови в ткани. Если его слишком мало, органы и ткани перестают насыщаться кислородом. В норме в артериальной крови давление CO2 составляет 40 мм рт. ст. При падении давления CO2 до 35 мм рт. ст. хеморецепторы реагируют на это, и кровеносные сосуды рефлекторно начинают сужаться, как бы пытаясь задержать углекислый газ. Данное состояние (низкое содержание углекислого газа в крови) называется гипокапнией.

Предположим, что фридайвер долгое время находился на глубине, и при всплытии на 10 метрах давление CO2 в его легких составляет 60 мм рт.ст. Углекислота переходит из легких в кровь, поддерживая необходимое для жизнедеятельности давление CO2 в крови. Но при быстром всплытии с последних 10 метрах давление CO2 в легких упадет до 30 мм рт. ст. CO2 быстро диффундирует из крови в легкие, и в какой-то момент его давление в крови сокращается до критического уровня. Хеморецепторы реагирует на это критически низкое давление CO2, и кровеносные сосуды головного мозга начинают спазмироваться, уменьшая и останавливая тем самым кровоснабжение головного мозга. В следствие этого человек внезапно теряет сознание.

Симптомы. Главной опасностью данного вида потери сознания является то, что фридайвер теряет сознание внезапно, без каких-либо предварительных симптомов. Фридайвер хорошо себя чувствует, не чувствует никаких неприятных ощущений и уже буквально на последних метрах может внезапно потерять сознание. В редких случаях перед обмороком может присутствовать головокружение.

Факторы, увеличивающие риск гипокапнической потери сознания и профилактика возникновения. Существует два фактора, провоцирующие гипокапническую потерю сознания.

Первый фактор – быстрое всплытие на последних метрах. Фридайверу свойственно быстро всплывать. У него не никаких ограничений по скорости всплытия, как у аквалангистов. Но на последних метрах всплытия фридайверу необходимо притормозить, чтобы давление CO2 в легких уменьшалось постепенно, и давление CO2 в крови сохранялось на достаточном для нормальной жизнедеятельности уровне.

Второй фактор – гипервентиляция перед погружением. Гипервентиляция - это серия быстрых вдохов-выдохов с целью уменьшения уровня CO2 в легких для того, чтобы отсрочить позыв на вдох. Таким образом фридайвер еще перед погружением уменьшает уровень CO2 в легких, и еще больше попадает под риск гипокапнической потери сознания при всплытии. Перед погружением очень важно правильно поставленное дыхание. Дыхание должно быть спокойное "с сопротивлением" (языком или губами создавая дополнительное сопротивление потоку воздуха), выдох приблизительно в 2 раза длиннее вдоха.

2. Гипоксическая потеря сознания (из-за низкого содержания углекислого газа в крови). Помимо уровня CO2 в крови для человека конечно же также важен и уровень кислорода в крови. Если фридайвер долго находился под водой и сознательно игнорировал рефлекторные позывы на вдох, вызванные повышением уровня CO2 в крови, то давление O2 в легких и, как следствие, в артериальной крови может снизиться до критического уровня. При снижения давлении O2 в арт. крови до 60 мм рт. ст. начинают проявляться первые признаки гипоксии, которые в дальнейшем при снижении уровня O2 до 40 мм рт.ст. приведут к потере сознания.

Гипоксическая потеря сознания может возникнуть как при погружении на глубину, так и на небольших глубинах при занятии динамикой (плавание в длину в бассейне на задержке дыхания) и статике (задержка дыхания на время без движения, как правило на поверхности воды).

Приближающаяся потеря сознания проявляется следующими симптомами: сначала отмечается кратковременное двигательное и эмоциональное возбуждение, мушки перед глазами. Затем могут возникать следующие симптомы: головокружение, потемнение в глазах, чувство оглушения, сонливость, общая заторможенность и, как итог, фридайвер теряет сознание. Он как будто постепенно засыпает под водой.

Внешними проявлениями грядущей гипоксической потери сознания как правило является потеря моторного контроля или «самба» - нарушение функция ЦНС. Выражается в непроизвольных мышечных сокращениях, конвульсиях, подергиваниях конечностей. Предстоящую или уже наступившую потерю сознания также можно определить по синим губам и бледности кожи ныряльщика.

Одним из главных факторов потери сознания из-за гипоксии является сознательное игнорирование ныряльщиком рефлекторных сокращений диафрагмы, являющихся позывом на вдох и сигналом к всплытию. Такое насилие над собственным организмом является, как правило, следствием нацеленности на достижение какого-либо результата (достижение максимального времени апноэ, дистанции или глубины). Переоценка возможностей собственного организма может привести к трагическим последствиям.

Также к фактору, увеличивающему опасность гипоксической потери сознания, можно отнести гипервентиляцию. В этом случае гипервентиляция опасна тем, что откладывается позыв на вдох, и фридайвер может пропустить нужный момент, когда ему необходимо всплывать.

Профилактикой является внимательное и бережное отношение к собственному организму. Всплывать необходимо при первых рефлекторных сокращениях диафрагмы. Целью фридайвинга должно быть получение удовольствия, а не достижения каких-либо максимальных результатов. Необходимо осторожно и постепенно изучать реакцию собственного организма на нагрузку и давать ему достаточный отдых на поверхности.

3. Гиперкапническая потеря сознания (из-за высокого содержания углекислого газа в крови).

При долгом нахождении пловца под водой и игнорирования им рефлекторных позывов на вдох, CO2 в его крови может достигнуть критического уровня (на поверхности более 60-70 мм рт. ст.). Это приводит к тому, что кислород перестает связываться с гемоглобином, сосуды головного мозг расширяются, и человек теряет сознание. Симптомами гиперкапнии являются головная боль, тошнота. Факторы, увеличивающие риск гиперкапнической потери сознания и ее профилактика такие же, как и в случае гипоксии.
      Исходя из выше сказанного у читателя может возникнуть ряд вопросов, ответов на которые ранее не было:

      1. Если стимуляция дыхательного центра вызывается повышением давления CO2, то почему фридайверу не хочется дышать уже на первых метрах погружения, и у него не развивается гиперкапния? Ведь при погружении давление CO2 в легких в разы увеличивается и кровь активно насыщается CO2.
      2. Почему потеря сознания из-за низкого содержания CO2 может наступить внезапно при всплытии, а при низком содержании O2 обязательно будут предшествующие симптомы?
      3. Почему у фридайвера в отличие от аквалангиста при очень быстром всплытии не возникает воздушно-газовая эмболия из-за расширяющихся пузырьков газа? Ведь давление газов в легких фридайвера, как и в легких аквалангиста, по разным причинам, но увеличивается вместе с увеличением глубины. Соответственно, газ в крови фридайвера находится также под повышенным давлении, и при очень быстром всплытии газ должен расширяться в крови, образуя пузырьки и закупоривая сосуды. Почему этого не происходит?
      4. Почему при дыхании атмосферным воздухом у фридайвера в отличие от аквалангиста не наступает кислородное отравление, вызванное повышенным давлением кислорода в крови, при погружениях на глубины более 60 метров? Герберт Ницш, успешно нырнувший на 214 метров, аж в 3 раза превысил возможно допустимую глубину погружения на воздухе (давление O2 в легких 4.62 ата, вместо допустимых 1.6). Даже если принять в расчет, что кислород у него расходовался, и он при достижении данной глубины израсходовал половину своих запасов, то давление O2 все равно превышает возможно допустимое. И ни малейших симптомов кислородного отравления у него не было.
      На то есть своя причина. Несмотря на то, что давление газов в легких действительно увеличивается в разы, давление газов в артериальной крови большого круга кровообращения увеличивается незначительно. При погружении на 10 метров давление O2 в легких будет составлять 200 мм рт. ст. Логично будет предположить, что и в крови давление O2 поднимется до 200 мм рт. ст. Но это не так.

      Погрузившись на глубину 10 метров давление газов в легких у фридайвера, как и у аквалангиста увеличится вдвое. Но в отличие от аквалангиста у фридайвера заполнена газом лишь половина от общего объема легких. Вторая половина легких защищается от сжатия с помощью кровного сдвига (приток крови к альвеолам).

      А кровь как циркулировала на суше, так и продолжает циркулировать по всему объему легких под водой. Следовательно, на глубине 10 метров лишь ½ от объема крови, поступающей в легкие будет участвовать в газообмене. Остальная кровь не участвует в газообмене, поступая в пустые, ненаполненные газом альвеолы.

      Предположим, что вся кровь, участвующая в кровообращении, занимает объем 6 литров. Одна половина (3 литра) участвует в газообмене, а вторая не участвует.

      Соответственно первая часть хорошо насыщается всеми газами (в том числе и азотом (N2)). Давление O2 в этом объеме крови будет равняться ≈ 200 мм рт. ст., CO2 ≈ 80 мм рт. ст., N2 ≈ 1120 мм рт. ст

      Давление газов во втором объеме крови будет неизменным Давление O2 ≈ 40 мм рт. ст., CO2 ≈ 46 мм рт. ст., N2 ≈560 мм рт. ст

      При возвращении крови по малому кругу от легких к сердцу данные объемы смешиваются в легочных венах, и давление газов распределяется равномерно по всему объему крови. И к началу большого круга кровообращения парциальное давление газов будет являть собой среднее арифметическое.

      Для расчета среднего давления газов необходимо использовать уравнение Менделеева-Клапейрона p3 =(p1V1+p2V2)/(V1+V2).

      p3кислорода =(200мм*3л+40мм*3л)/(3л+3л)=720/6=120 мм рт. ст.

      p3углекисл.=(80мм*3л+46мм*3л)/(3л+3л)=63 мм рт. ст.
      p3азот.=(1120мм*3л+560мм*3л)/(3л+3л)=840 мм рт. ст.
      Из этого видно, что давление газов в крови повышается, но не в разы. Притом на первых 10 метрах будет происходить самое большое увеличение давления газов. В дальнейшем разница будет уменьшаться. На 20 метрах давление O2 будет составлять ≈ 126 мм рт. ст. При вычислениях взяты идеальные условия, предполагающие, что фридайвера очень быстро погрузили на данную глубину, и он не успел израсходовать O2 или накопить CO2.

      Данная теория дает ответы на заданные вопросы:

      1. Несмотря на то, что уровень CO2 в крови при погружении повышается, он не достигает того уровня, при котором развивается гипокапния. Это происходит также и по той причине, что повышенный уровень O2 в крови при погружении несколько компенсирует повышенный объем CO2. И наоборот.
      2. Потеря сознания из-за недостатка кислорода не происходит внезапно, так как кислород при погружении всегда стремится из легких в кровь и никогда наоборот, и его падение до критического уровня не происходит мгновенно. Предположим, что фридайвер находился на глубине так долго, что достиг критического уровня O2, достаточного для потери сознания на поверхности. То есть при всплытии на поверхности давление O2 в крови должно составлять 40 мм рт.ст. Если подставить данную цифру в наше формулу, то мы выясним какое давление у фридайвера должно быть в этом случае на 10 метрах (80мм*3л+40мм*3л)/(3л+3л)=60 мм рт.ст. При таком давлении на 10 метрах уже будут активно проявляться первые симптомы гипоксии, которые фридайвер почувствует. Для того, чтобы потерять сознание ему необходимо проплыть еще целых 10 метров. Поэтому можно заявить, что гипоксическая потеря сознания при занятии фридайвингом не происходит внезапно, без предварительных симптомов.
      3. Воздушно-газовая эмболия у фридайвера не возникает, так как давление газов в крови не достигает необходимого для этого уровня.
      4. Кислородное отравление у фридайвера невозможно, так как давление O2 в крови не достигает необходимого для этого уровня.
      Вторя большая группа причин потери сознания при занятии фридайвингом – это потеря сознания из-за резкого понижения кровяного давления в головном мозге. В данной группе выделяю два вида потери сознания: барогипертензионная и ортостатическая.

      1. Барогипертензионная потеря сознания Представим ситуацию, фридайвер в бассейне задерживает дыхание и проплывает 100 метров в длину на небольшой глубине. Во время плавания он чувствует себя хорошо и никаких признаков приближающейся потери сознания мы не наблюдаем. После этого он встает делает на поверхности выдох и внезапно теряет сознание. Что же случилось?

      При глубоком вдохе и последующей задержке дыхания повышается давление в грудной полости фридайвера, и ухудшается венозный отток крови от головы при сохраняющемся интенсивном притоке крови к голове. Возникает так называемый барогипертензионный синдром.

      При резком полном выдохе давление в грудной полости резко падает, и происходит стремительный отток крови от головного мозга. Данный эффект усиливается при смене положения тела из горизонтального в вертикальное.

      Кровяное давление в головном мозге падает, и человек внезапно теряет сознание.

      Есть несколько факторов, которые могут привести к барогипертензионной потери сознания.

      Во-первых - это так называемая "упаковка легких". Это специальная техника, используемая во фридайвинге для увеличения давления воздуха в легких сверх нормы. Фридайвер как бы заталкивает дополнительный объем воздуха в легкие. Соответственно, это еще больше повышает давление в грудной полости. Для того, чтобы этого не допустить, не рекомендуется делать "упаковку".

      Вторым фактором является резкий полный выдох при всплытии. При таком выдохе давление в грудной полости быстро снижается, и кровь резко отливает от головы. Чтобы этого не случилось, первый выдох после всплытия должен быть медленным, неполным, осуществляемым "с сопротивлением".

      Третьим фактором, провоцирующим потерю сознания, является резкая смена положения тела из горизонтального в вертикальное. Смена положения тела должна быть осуществлена плавно, без резких движений, чтобы организм успел приспособиться к необходимости гнать кровь в голову под большим давлением.

      2. Ортостатическая потеря сознания Потеря сознания также может возникать под водой при резкой смене положения тела. Например, фридайвер погружается головой вниз, потом делает резкий разворот и начинает всплывать головой вверх. Это может привести к резкому оттоку крови из головного мозга и потери сознания фридайвера. Чтобы не наступил данный вид потери сознания смена положения тела должна осуществляться плавно, постепенно, без резких движений.