Układ oddechowy

Budowa i funkcjonowanie układu oddechowego

Układ oddechowy współpracuje z układem krążenia – zapewnia środowisko, w którym może nastąpić wymiana gazowa. Generalnie, wszystkie gazy wnikają do wnętrza ciała lub opuszczają je przez płuca. Chociaż dwoma najważniejszymi gazami dla procesów metabolicznych są tlen i dwutlenek węgla, to samo dotyczy wszystkich gazów którymi oddychamy, lub które są rozpuszczone w tkankach. Podczas nurkowania azot i hel także wnikają do tkanek i opuszczają je za pośrednictwem płuc, co bezpośrednio wiąże się z koniecznością stosowania tabel bądź komputerów nurkowych celem uniknięcia choroby dekompresyjnej.

Zacznijmy od opisu sekwencji zdarzeń zachodzących w układzie oddechowym, związanych z fizjologią oddychania. Odczuwamy potrzebę oddychania wtedy, gdy organizm wykrywa podwyższenie poziomu dwutlenku węgla i/lub obniżenie stężenia tlenu w krwi i tkankach. Centra oddechowe w mózgu, położone w rdzeniu przdłużonym, mają największy wpływ na kontrolę oddychania poprzez stymulowanie potrzeby wykonania wdechu w chwili, gdy przekroczone zostanie progowe stężenie CO2.

Chemoreceptory rozmieszczone obwodowo, w różnych częściach ciała, monitorują stężenie tlenu, i sygnalizują ośrodkowi oddechowemu obniżenie poziomu tlenu poniżej wartości progowej. Te słabe sygnały z zewnętrznych chemoreceptorów potęgują wpływ wysokiego stężenia dwutlenku węgla na ośrodek oddechowy, przyczyniając się do pobudzenia oddychania.

Należy zwrócić uwagę, że w większości sytuacji to stężenie dwutenku węgla, a nie tlenu, jest najważniejszym czynnikiem kontrolującym oddychanie. Jeśli obwodowe chemoreceptory wykrywają mało tlenu, lecz stężenie dwutlenku węgla jest w normie, twój ośrodek oddechowy może nie stymulować wykonania wdechu. Z drugiej strony, nawet przy normalnych poziomach tlenu, podwyższona ilość CO2 sprawi, że ośrodek oddechowy może reagować niepotrzebnie zwiększając częstotliwość oddechu. Jest to szczególnie ważne przy nurkowaniu na zatrzymanym oddechu, ma też znaczenie w odniesieniu do przestrzeni martwych w sprzęcie powietrznym i nurkowania na rebreatherach o obiegu zamkniętym (CCRs).

Po stwierdzeniu zbyt wysokiego poziomu CO₂ centrum oddechowe stymuluje cię do wykonania wdechu. W tym celu przepona – duży mięsień oddzielający klatkę piersiową od jamy brzusznej – obniża się, powodując zwiększenie pojemności klatki piersiowej. Wzrost objętości i spadek ciśnienia powodują, że powietrze napływa do wnętrza klatki piersiowej, tak by doszło do wyrównania ciśnienia pomiędzy wnętrzem płuc a środowiskiem zewnętrznym. Wydech odbywa się odwrotnie – przepona rozpręża się, pozwalając sile sprężystości płuc doprowadzić do zmniejszenia ich objętości, przez co powietrze zostaje z nich wypchnięte bardzo podobnie jak powietrze wypuszczane z balonu. Zmniejszenie objętości płuc i wzrost ciśnienia wewnętrznego powodują, że powietrze wypływa z twoich płuc.

Podczas wdechu, powietrze przepływa przez usta i/lub nos oraz zatoki, w których powietrze jest zwilżane i filtrowane. Następnie, przechodzi ono przez nagłośnię w gardle i dalej do tchawicy. Nagłośnia działa jak zawór między tchawicą a przełykiem (prowadzącym do żołądka), chroniąc drogi oddechowe przed dostaniem się do nich pokarmu lub płynów. Tchawica rozdziela się na lewe i prawe oskrzele, które prowadzą do płuc. Choć często przyrównywane do balonów, płuca właściwie bardziej przypominają dwie duże gąbki, umieszczone wewnątrz chroniącej je klatki piersiowej. Wewnątrz płuc, oskrzela rozdzielają się na coraz drobniejsze kanaliki, zwane oskrzelikami. Najdrobniejsze oskrzeliki kończą się pęcherzykami płucnymi, otoczonymi przez naczynia włosowate. Tutaj właśnie zachodzi wymiana gazowa.

Gazy przemieszczają się między światłem pęcherzyka a naczyniami poprzez cienką błonę rozdzielającą pęcherzyk i ścianę naczynia włosowatego. Błony te są mikroskopijnie cienkie, umożliwiając cząsteczkom gazów swobodne przenikanie i przemieszczanie się pomiędzy światłem pęcherzyka a twoim krwiobiegiem. Tutaj tlen, dwutlenek węgla i inne gazy dyfundują między krwią a pęcherzykiem płucnym, przy czym krew nie wchodzi w bezpośredni kontakt z powietrzem (ani innym gazem, którym oddychasz). Mechanizmem, który odpowiada za przemieszczanie się gazów, jest dyfuzja – naturalna tendencja gazów do przemieszczania się z obszarów o wysokim ciśnieniu parcjalnym do obszarów o niskim ciśnieniu parcjalnym. Gdyby nie dyfuzja, wymiana gazów w płucach nie mogłaby zachodzić.

Aby zapewnić maksymalną powierzchnię kontaktu dla przyspieszenia dyfuzji gazów, pęcherzyki płucne i oplatające je naczynia włosowate występują w bardzo dużych liczbach. Całkowita powierzchnia strefy wymiany gazów w twoich płucach, po rozprostowaniu, miałaby wielkość typowego pokoju mieszkalnego. Mimo wielkości tej powierzchni, twój system oddechowy i krążenia wykorzystuje zaledwie ok. 15-20 procent tlenu dostępnego w każdym oddechu. Sztuczne oddychanie usta-usta jest możliwe, ponieważ wydychane powietrze wciąż zawiera 80-85% początkowej zawartości tlenu, co wystarcza do utrzymania osoby ratowanej przy życiu.

Tempo oddychania zmienia się w zależności od tempa produkcji dwutlenku węgla przez twoje tkanki, co ma bezpośredni związek z ilością zużywanej energii. W stanie spoczynku, przeciętna osoba wykonuje 12-20 oddechów na minutę, ale w trakcie aktywności fizycznej to tempo wzrasta, gdyż organizm szybciej pochłania tlen i wytwarza dwutlenek węgla. Centrum oddechowe utrzymuje zwiększone tempo oddychania aż do momentu, w którym stężenie dwutlenku węgla powróci do normy.

Podobnie jak tempo oddychania, także objętość wdychanego powietrza zmienia się w zależności od twojej aktywności. Jak ci zapewne wiadomo, oddychasz głębiej i szybciej podczas wykonywania ćwiczeń lub pod wpływem stresu – które zwiększają zużycie O2 i produkcję CO2.

Objętość oddechowa (tidal volume) to objętość gazu, którą pobierasz i wydychasz przy normalnym oddechu. Ilość powietrza, jaką możesz usunąć z płuc po wykonaniu normalnego wydechu, to objętość zapasowa wydechowa (expiratory reserve volume), zaś objętość jaką możesz dodatkowo pobrać po wykonaniu normalnego wdechu to objętość zapasowa wdechowa (inhalatory reserve volume). Pojemność życiowa (vital capacity) to największa objętość powietrza, jaką możesz pobrać w płucach po maksymalnym wdechu (suma trzech poprzednio wymienionych objętości), a objętość zalegająca (residual volume) to ilość powietrza pozostająca w płucach po najsilniejszym wydechu. Suma pojemności życiowej i objętości zalegającej to całkowita pojemność płuc (total lung capacity). Pojęcia objętości oddechowej i pojemności zalegającej odnoszą się bezpośrednio do niektórych reakcji twojego organizmu na nurkowanie.

Wpływ nurkowania na układy krążenia i oddechowy

Gdy nurkujesz, twój układ oddechowy i krążenia oczywiście nie przestają funkcjonować, za to muszą przystosować się do warunków istniejących w środowisku podwodnym. Pewne procesy zachodzą bez względu na to, czy oddychasz z akwalungu, czy też nurkujesz na zatrzymanym oddechu. Możesz nurkować tylko dzięki temu, że twój organizm reaguje na zwiększone ciśnienie i wzrost gęstości gazów oddechowych pod wodą.

Reakcje na oddychanie w sprzęcie

Oddychanie w sprzęcie – przez automat lub fajkę – wpływa na reakcje układu krążenia i oddechowego poprzez zwiększanie zawartości dwutlenku węgla i przez zwiększanie oporów oddechowych. Reakcje te wynikają ze zwiększenia objętości przestrzeni martwych, z turbulencji i wzrostu gęstości gazu pod wodą.

Przy wykonywaniu wdechu, pierwsza porcja gazu docierającego do pęcherzyków jest tym samym gazem, który pozostał w drogach oddechowych po poprzednim wydechu. Jest on bogatszy w CO2, i podczas wdechu miesza się ze świeżym gazem – tak, że gaz w pęcherzykach płucnych zawiera zawsze nieco więcej dwutlenku węgla niż wynosi jego zawartość w gazie używanym do oddychania. Oddychanie przez fajkę, automat bądź inny aparat oddechowy zwiększa tę przestrzeń martwą. Dodatkowo, podczas pobytu w wodzie objętość oddechowa jest mniejsza o ok. 15-20% niż na powierzchni, ze względu na ściskanie klatki piersiowej przez wodę (zwłaszcza wtedy, gdy przyjmujesz pozycję pionową).

Na skutek zmniejszenia objętości oddechowej i zwiększenia przestrzeni martwej, zużyty gaz może stanowić większą część każdego oddechu, przez co może odpowiednio wzrosnąć zawartość CO2 w pęcherzykach płucnych. Zwiększanie poziomu dwutlenku węgla zależy od objętości oddechowej i zalegającej, może zatem wahać się od nieistotnego aż do znacznego. Jednak, w rozsądnych granicach, możesz kompensować wzrost stężenia CO₂, zarówno świadomie jak i nieświadomie.

Zwiększenie stężenia CO2 w pęcherzykach płucnych prowadzi do zwiększenia zawartości tego gazu we krwi, przy braku istotnego spadku zawartości tlenu. Jednak na skutek zwiększonego steżenia dwutlenku węgla twój ośrodek oddechowy stymuluje wzrost częstości i głębokości oddechów. Fizjolodzy wykazali, że u niektórych nurków ośrodek oddechowy staje się z czasem bardziej tolerancyjny na lekko podwyższony poziom CO2. Efekt jest szczególnie wyraźny u nurków, którzy nurkują dużo na bezdechu, na przykład polując pod wodą lub biorąc udział w zawodach freedivingowych. Zatem, choć twoją nieświadomą reakcją może być wzrost tempa i głębokości oddechów, doświadczenie pozwala przeciwdziałać temu efektowi.

Świadomą reakcją – jedyną, którą możesz kontrolować – jest wykonywanie głębokich wdechów celem zwiększenia objętości oddechowej. Przez zwiększanie ilości wdychanego gazu, zmniejszasz proporcję, jaką stanowi gaz z przestrzeni martwych, w całkowitej objętości docierającej do pęcherzyków płucnych. Jest to jeden z powodów, dla których uczono cię wykonywać powolne i głębokie oddechy podczas nurkowania.

Innym sposobem wpływania na objętość martwą jest używanie odpowiedniego sprzętu. Producenci w taki sposób projektują sprzęt do oddychania pod wodą, by zmniejszyć przestrzeń martwą. Jak dowiedziałeś się w Rozdziale Trzecim, jest to jednym z powodów, dla których nie konstruuje się obecnie bardzo długich fajek, które niepotrzebnie zwiększały przestrzeń martwą. Wiele masek pełnotwarzowych i hełmów używanych do nurkowań komercyjnych posiada odrębne części/kieszonki na nos i usta, które oddzielają te części twarzy od reszty przestrzeni maski. Celem tego jest zmniejszenie rzeczywistej przestrzeni martwej, i zapobieżenie gromadzeniu się dwutlenku węgla wewnątrz maski. Natomiast przeciętny drugi stopień automatu oddechowego używanego w nurkowaniu rekreacyjnym ma tak małą objętość, że powoduje wzrost przestrzeni martwej w mniejszym stopniu niż przeciętna fajka.

Gęstość gazu

Gdy nurkujesz ze sprzętem powietrznym, głębokie oddychanie wymaga dodatkowej adaptacji z powodu większej gęstości powietrza (lub innego gazu) wdychanego pod ciśnieniem. Im gęstszy gaz, tym mniej płynnie przepływa przy danej prędkości. Przy założeniu braku innych różnic, przy wzroście prędkości gazu o określoną wielkość, opory oddechowe wzrastają nieproporcjonalnie. Dlatego właśnie potrzeba więcej niż dwa razy tyle energii na wdychanie/wydychanie określonej objętości dwa razy szybciej. Jest to spowodowane tym, że gdy gaz przepływa przez gładkie kanały, może przepływać laminarnie (bezwirowo). Oznacza to, że generalnie przemieszcza się on jako ciągła, jednorodna kolumna gazu. Niestety, wdychane przez ciebie powietrze nie przepływa gładkimi kanałami, ale przez sprzęt powietrzny, tchawicę i oskrzela. W tych nierównych kanałach, przepływ powietrza jest turbulentny (wirowy) w efekcie tarcia między gazem i ścianami kanałów. Te opory sprawiają, że gaz przemieszcza się szybciej w centralnej części kanałów niż przy ich krawędziach, powodując zawirowania w kierunku odwrotnym od kierunku przepływu, zaburzające spokojny przepływ i zwiększające opór. Im gęstszy jest gaz, tym większe są opory przy danej prędkości przepływu.

Do pewnego stopnia, ten opór ma pewne pozytywne konsekwencje (nawet na powierzchni) – zwiększa nieznacznie ciśnienie w oskrzelikach i pęcherzykach podczas wydechu. Chroni to kanały powietrzne przed zapadaniem się podczas wydechu, choć pewna ich część zapada się mimo wszystko, zarówno pod wodą, jak i na powierzchni.

Jednak w trakcie nurkowania opory te mogą stanowić problem, ponieważ im szybciej gaz przepływa, im jest on gęstszy, i im bardziej nieregularny kanał którym przepływa, tym więcej energii trzeba zużyć na przezwyciężanie oporów powodowanych przez turbulencję. Jest to poważny problem w nurkowaniu technicznym, ale może mieć znaczenie nawet w stosunkowo płytkiej wodzie – jeżeli ulegniesz wyczerpaniu. Dlatego właśnie uczono cię oddychania powolnego i głębokiego, nurkowania w stanie relaksu, oraz oszczędzania energii pod wodą. Wykwalifikowani nurkowie techniczni zapobiegają temu zjawisku przez użycie mieszanek oddechowych zawierających hel, który zmniejsza gęstość mieszanki (istnieją też inne korzyści wynikające z używania tego gazu podczas głębokiego nurkowania).

Rebreathery o obiegu zamkniętym i półzamkniętym

Rebreathery o obiegu zamkniętym i półzamkniętym (Closed-Circuit Rebreathers – CCRs i Semiclosed-Circuit Rebreathers – SCRs) także wywołują odpowiedź fizjologiczną organizmu. Chociaż objętość gazu dostępnego do oddychania jest bardzo duża, dzięki swojej konstrukcji rebreathery nie mają znacząco większej przestrzeni martwej niż inne rodzaje aparatów do oddychania pod wodą. Wynika to z faktu, że absorbent chemiczny usuwa dwutlenek węgla z wydychanego gazu, który następnie powraca do nurka poprzez pętlę oddechową i zawory regulujące jego przepływ. Dodatkową przestrzeń martwą stanowi zatem tylko objętość ustnika, a jeśli używasz maski pełnotwarzowej, część ustno-nosowa.

Jednak jeśli zużyjesz absorbent albo zapakujesz go niewłaściwie, cały rebreather może stać się jedną wielką przestrzenią martwą. Inaczej niż w typowej przestrzeni martwej, zawartość tlenu będzie wystarczająca (o ile nie wystąpią inne problemy techniczne!), ale rosnący poziom dwutlenku węgla może powodować bóle głowy, przyspieszenie oddechu oraz inne symptomy hiperkapni (zatrucia dwutlenkiem węgla). Dlatego jest istotne, by nurkowie używający CCR bądź SCR wymieniali absorbent odpowiednio często – nie przekraczali jego zalecanej trwałości, oraz by upewnili się, że jest on prawidłowo zapakowany.

Gęstość gazu i przepływ laminarny stanowią ważne zagadnienia w nurkowaniu na rebreatherach. Energia potrzebna do przepływu gazu przez te systemy pochodzi wyłącznie od ciebie. Kanały oddechowe nie są gładkie, zatem występują naturalne turbulencje, a dodatkowo musisz "przepychać" gaz przez zbiornik z absorbentem. Energia potrzebna do tego znacznie wzrasta wraz z rosnącą gęstością gazu. Dodatkowo, wydychany gaz musi pozostać przez chwilę w sąsiedztwie absorbentu, tak by pochłonięty został cały dwutlenek węgla; szybkie oddychanie skraca ten czas, i może spowodować, że część CO2 przepłynie przez zbiornik z pochłaniaczem. Z tych powodów, powolne i głębokie oddychanie jest szczególnie istotne podczas nurkowania na rebreatherach.

Wpływ nurkowania na zatrzymanym oddechu

Podczas nurkowania na zatrzymanym oddechu, twoje ciało musi odpowiednio reagować na zaprzestanie oddychania (bezdech – apnea), aby zapewnić ci przeżycie oraz to, że wkrótce wznowisz oddychanie. Fizjolodzy stwierdzili, że reakcja twojego organizmu jest nieco inna podczas wstrzymywania oddechu pod wodą i na lądzie, choć wciąż nie jest jasne dlaczego i w jakim stopniu istotne są te różnice.

Podczas bezdechu, układ krążenia wykorzystuje tlen zgromadzony w płucach, mięśniach i krwi, aby zaspokoić zapotrzebowanie tkanek na tlen. Bez wentylacji, po chwili dwutlenek węgla gromadzi się w układzie krążenia, płucach, mięśniach i innych organach. Wzrost stężenia CO₂ sprawia, że twój ośrodek oddechowy stymuluje przeponę do skurczu, co odczuwasz jako potrzebę zaczerpnięcia oddechu.

Początkowo potrzeba ta jest słaba, lecz sukcesywnie nasila się, w miarę jak ciało zużywa tlen i produkuje dwutlenek węgla – aż do tego momentu, gdy musisz wynurzyć się dla nabrania powietrza. To, jak długo potrafisz pozostać na bezdechu, zależy od szeregu parametrów fizjologicznych i reakcji, nie do końca rozumianych przez fizjologów. Znaczenie tych reakcji różni się znacząco u poszczególnych osób, i dlatego niektórzy nurkowie potrafią wstrzymać oddech na czas znacznie dłuższy od innych.

Wiele czynników i procesów w twoim ciele wpływa na czas, na jaki możesz wstrzymać oddech. Jednym z nich, jak uważa wielu fizjologów, jest ciśnienie wody. W miarę zanurzania, ciśnienie wody spręża powietrze w twoich płucach, zwiększając ciśnienie parcjalne tlenu. Zwiększone ciśnienie O2 umożliwia organizmowi wykorzystanie większej części tlenu niż byłoby to możliwe na powierzchni.

Mimowolną reakcją organizmu spotykana przy nurkowaniu bezdechowym jest zmiana tempa pracy serca. Gdy po raz pierwszy weźmiesz głęboki wdech, występuje tachykardia, czyli przyspieszenie akcji serca, po niej zaś następuje bradykardia, czyli spowolnienie akcji serca. Badania wykazały także występowanie arytmii (nieregularnego rytmu pracy serca) podczas długich nurkowań na zatrzymanym oddechu odbywanych przez wytrenowanych nurków bezdechowych. Bradykardia występująca na skutek wstrzymania oddechu określana jest jako odruch ssaków nurkujących (mammalian diving reflex), ponieważ występuje u niektórych ssaków, takich jak wieloryby, foki i morświny. Wydaje się, że właśnie ten odruch umożliwiał przeżycie niektórych dzieci bliskich utonięcia w wodzie o temperaturze poniżej 10°C: po resuscytacji, poszkodowani odzyskiwali funkcje życiowe nawet po upływie ponad 20 minut od momentu zatrzymania oddechu, bez wystąpienia trwałych konsekwencji.

Fizjolodzy nie do końca rozumieją, jak i dlaczego występuje odruch nurkowy. Wiadomo, że związany jest z zimną wilgocią na twarzy, ale podczas badań zimna woda nie zawsze powodowała wydłużenie czasu bezdechu. To, że zimna woda na twarzy wydaje się wywoływać taką odpowiedź, tłumaczy, dlaczego odruch nurkowy rzadziej był spotykany u osób podtopionych w wodach ciepłych.

Wydaje się, że na skutek odruchu nurkowego krew jest koncentrowana w mózgu i sercu, dostarczając tlen z limitowanej puli jedynie do najbardziej wymagających rejonów ciała. Może mieć to związek z rosnącym stężeniem CO2, na co twój organizm reaguje przez ograniczenie dopływu krwi do kończyn i zwiększenie dopływu do mózgu. Inaczej niż u ssaków morskich, u których w trakcie wstrzymywania oddechu ciśnienie krwi pozostaje na stałym poziomie, u człowieka ciśnienie wzrasta w miarę przedłużania bezdechu. Zmiany we układzie krążenia występują także jako naturalna odpowiedź na zmiany temperatury; niektórzy fizjolodzy uważają, że zmiany krążenia krwi w wyniku odruchu nurkowego mogą częściowo wynikać z naturalnej reakcji na zimno. Oprócz nieświadomych reakcji, możesz świadomie zwiększyć czas wstrzymywania oddechu. Pierwszy ze sposobów polega na relaksacji i ograniczeniu wysiłku. Im mniej intensywnie poruszasz się i mniej męczysz, tym wolniej zużywasz tlen i wytwarzasz dwutlenek węgla.

Innym sposobem świadomego zwiększania czasu bezdechów jest trening. Badania wykazały, że wytrenowani freediverzy mogą wstrzymywać oddech na dłuższy czas, ponieważ wzrasta ich tolerancja na podwyższone stężenie dwutlenku węgla, mają oni też zwiększoną wydajność beztlenową – ich ciała mają zwiększoną zdolność wytwarzania energii przy braku tlenu.

Trzecim sposobem zwiększenia czasu trwania bezdechu jest rozpoczynanie nurkowania na zatrzymanym oddechu z mniejszą ilością CO2 w organizmie. W tym celu powinieneś wykonać świadomą hiperwentylację – trzy lub cztery szybkie, głębokie oddechy tuż przed zanurzeniem. Robiąc to, zmniejszasz stężenie dwutlenku węgla w drogach oddechowych do poziomu poniżej normalnego, co z kolei prowadzi do obniżenia stężenia tego gazu w układzie krwionośnym. Dzięki temu, twoje tkanki będą mogły wytworzyć większą ilość dwutlenku węgla przed osiągnięciem poziomu, który stymuluje oddychanie.