Разучиться дышать

Ирина Зеленкова, 2015

Несмотря на то, что ныряние на задержке дыхания используется человеком достаточно давно, фридайвинг (от англ. free – свободное, diving – погружение) – новый, очень динамично развивающийся вид подводной деятельности. За последнее время планка мировых рекордов была поднята на высокий уровень, который раньше казался невероятным. Книга дает полное представление о фридайвинге, затрагивая различные аспекты: историю, физиологию, снаряжение, соревновательные дисциплины и подход к тренировочному процессу. Книга будет особенно интересна людям, не знакомым с фридайвингом, но также может быть полезна как фридайверам начального уровня, так и инструкторам по фридайвингу.

Глава 2. Что происходит в организме, когда мы задерживаем дыхание?

Газообмен между вдыхаемым воздухом и циркулирующей кровью осуществляется посредством дыхательной системы, которая состоит из совокупности органов. Сначала воздух попадает в систему верхних дыхательных путей, которая состоит из полости носа, носоглотки, ротоглотки, а также ротовой полости. Далее воздух переходит в систему нижних дыхательных путей, которая состоит из гортани, трахеи и бронхов. Бронхи делятся на бронхиолы, далее на альвеолярные ходы и заканчиваются альвеолами. Вокруг альвеол легочные капилляры образуют плотную сеть. Именно здесь, через альвеолярно-капиллярную мембрану, осуществляется газообмен путем простой диффузии из области с высоким парциальным давлением газа в область с низким парциальным давлением.

Воздух, которым мы дышим, представляет собой смесь газов. Он состоит на 78 % из азота (N₂), на 20,93 % — из кислорода (О₂) и на 0,03 % — из диоксида углерода (СО₂). В зависимости от величины атмосферного давления их процентное соотношение может меняться на 1–2 %. Каждый из вышеперечисленных газов оказывает давление, пропорциональное его концентрации в общей смеси. Давление каждого газа в смеси называется парциальным давлением. Согласно закону Дальтона, общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений каждого газа в этой смеси. Если общее атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст., то парциальное давление азота P(N₂) в воздухе будет 600,7 мм рт. ст., парциальное давление кислорода Р(O₂) — 159,0 мм рт. ст., а диоксида углерода Р(CO₂) — 0,3 мм рт. ст.

Газы в нашем теле растворены в жидкостях, например, в плазме крови. Согласно закону Генри, газы растворяются в жидкостях пропорционально своему парциальному давлению, а также в зависимости от способности растворяться в определенных жидкостях и от температуры. Способность газа растворяться в крови — величина постоянная, температура крови также относительно постоянна. Следовательно, наиболее критический фактор газообмена между альвеолами и кровью — градиент парциального давления газов в них. Все эти принципы играют очень важную роль при погружении на глубину, когда на организм фридайвера начинает воздействовать гидростатическое давление. Интенсивность обмена и кислорода и диоксида углерода зависит от градиента давления.

Нервные центры, регулирующие работу дыхательной системы, находятся в продолговатом мозге, который посылает сигналы на увеличение или уменьшение вентиляции, что в свою очередь зависит от газового состава крови. Важная для организма функция дыхания обеспечивается благодаря кровоснабжению и иннервации органов дыхания (бронхиальные артерии и нервы). Емкость сосудистого русла легких может увеличиваться или уменьшаться, что играет огромную роль при кровяном сдвиге во время погружений. Благодаря тому, что емкость легочных сосудов непостоянна, кровенаполнение легких может составлять до 25 % от общего количества крови в организме.

В норме число дыхательных движений равно 15–20 в минуту. Таким образом, кислород поступает в организм, а углекислый газ выводится из организма. Вдох осуществляется посредством изменения давления в грудной клетке за счет сокращения наружных межреберных мышц и диафрагмы. В условиях выполнения значительной физической нагрузки вдох осуществляется за счет лестничных (передней, средней и задней), грудино-ключично-сосцевидных и грудных мышц. Когда давление в грудной клетке падает — происходит вдох, когда давление повышается — выдох. В состоянии покоя выдох, как правило, представляет собой пассивный процесс, который запускает расслабление дыхательных мышц и эластическую тягу легочной ткани. При дыхании с усилием выдох становится активным процессом. Внутренние межреберные мышцы, широчайшая мышца спины, поясничная квадратная мышца, мышцы живота и диафрагма активнее участвуют в процессе. На этом принципе основаны дыхательные упражнения, которые фридайверы используют для разминки.

Объем воздуха, который поступает в легкие во время спокойного дыхания, соответствует дыхательному объему и равен приблизительно 500 мл, но эта величина варьируется в зависимости от индивидуальных антропометрических параметров. Ее называют дыхательным объемом (ДО). После полного вдоха в легких находится около 2000 мл воздуха. Этот параметр называется резервный объем вдоха (РОвд), а воздух, который можно выдохнуть после спокойного выдоха, называется резервным объемом выдоха (РОвыд). Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — это сумма полного вдоха и полного выдоха. При максимальном выдохе в легких остается около 1000–1500 мл воздуха, этот параметр называется остаточным объемом (ОО), а функциональная остаточная емкость легких (ФОЕ) — это объем воздуха, остающийся в легких после пассивного выдоха. Этот параметр составляет приблизительно 20 % от общей емкости легких. Общая емкость легких — это общее количество воздуха, которое находится в легких после максимального вдоха. Данный параметр измеряется путем суммирования жизненной емкости легких и остаточного объема.

Перенос кислорода происходит при помощи эритроцитов — форменных элементов крови. Эритроциты переносят кислород благодаря содержащемуся в них гемоглобину. Каждая молекула гемоглобина может связывать 4 молекулы кислорода. Чем выше содержание гемоглобина, тем выше кислородная емкость крови. Кислородтранспортная способность крови — максимальное количество кислорода, которое может транспортировать кровь. У мужчин в 100 мл крови содержится в среднем 14–18 г гемоглобина, а у женщин — 12–16 г. Каждый грамм гемоглобина может связываться с 1,34 мл кислорода, соответственно, 100 мл крови способны перенести 16–24 мл кислорода. Регулярные тренировки приводят к увеличению объема циркулирующей крови и увеличению числа эритроцитов.

Сердечно-сосудистая система обеспечивает циркуляцию крови в организме человека, доставляя к органам и тканям кислород и питательные вещества и забирая углекислый газ и другие продукты клеточного метаболизма. В состав сердечно-сосудистой системы входит сердце и кровеносные сосуды. Сердце — полый мышечный орган, который за счет последовательного сокращения перекачивает кровь по сосудам. У человека четырехкамерное сердце, в котором разделяют правое предсердие, правый желудочек, левое предсердие и левый желудочек. Нервные центры, регулирующие работу сердца, находятся в продолговатом мозге, который посылает сигналы на усиление или ослабление сердечной деятельности. Нюансы регуляции сердца рассматриваться не будут.

По кровеносным сосудам осуществляется движение крови по организму. Среди сосудов различают артерии, артериолы, капилляры, венулы, вены и артериоло-венозные анастомозы. Процесс обмена между кровью и тканями осуществляется в микроциркуляторном русле, в которое входят мелкие сосуды. Замкнутая система кровообращения образует круги кровообращения. У человека различают два круга кровообращения: большой и малый. Большой круг кровообращения начинается в левом желудочке и заканчивается в правом предсердии. Малый круг кровообращения начинается в правом желудочке и оканчивается в левом предсердии. Большой круг кровообращения обеспечивает доставку крови ко всем органам и тканям, а малый круг кровообращения циркулирует через легкие, где происходит обогащение крови кислородом. Адаптация сердечно-сосудистой системы к регулярным физическим нагрузкам происходит в течение длительного времени. Под воздействием регулярных тренировок низкой интенсивности объем сердца может быть увеличен на 30–40 %.

После начала задержки дыхания происходит постепенное повышение парциального давления углекислого газа и снижение парциального давления кислорода в артериальной крови. Повышение парциального давления углекислого газа приводит к возникновению позыва на вдох. Он вызван раздражением «дыхательного центра», который находится в продолговатом мозге, и чем длиннее задержка дыхания, тем сильнее позыв на вдох. Говоря простым языком, головной мозг посылает команды на вдох к дыхательным мышцам, но вдоха не происходит, поэтому они продолжают повторяться до тех пор, пока человек не прекратит задержку дыхания. Позывы на вдох абсолютно безопасны и безвредны, наоборот, увеличение концентрации углекислого газа в артериальной крови приводит к усилению кровотока в головном мозге.

По данным литературы, после максимального вдоха в легких находится около 1000 мл кислорода, в крови — не более 1000 мл, в тканевых пространствах — 250–300 мл. В скелетных мышцах содержится 200–300 мл кислорода в связанном состоянии. Таким образом, запас кислорода несколько превышает 2500 мл. Наибольшую долю в кислородные запасы организма вносит жизненная ёмкость лёгких. Регулярные тренировки приводят к выраженным адаптационным процессам для увеличения кислородных запасов. Жизненная емкость легких у фридайверов превышает среднестатистическую норму. На протяжении всей задержки дыхания происходит снижение парциального давления кислорода в артериальной крови, но человек не чувствует в связи с этим никакого дискомфорта. Лишь в конце человек может почувствовать симптомы снижения парциального давления кислорода, но при правильно выполненной задержке дыхания такого не должно происходить. При регулярных тренировках организм адаптируется к снижению напряжения кислорода и становится способен потреблять его более экономично и эффективно, что позволяет увеличить длительность задержки дыхания.

Одним из механизмов, заложенных в наш организм и помогающих снижать утилизацию кислорода, является так называемый «нырятельный ответ» или dive response. До 2009 года во всех учебных материалах он назывался «рефлексом ныряльщика» или diving reflex, но постепенно, по мере изучения физиологии фри-дайвинга, стало сомнительно рефлекторное происхождение данной физиологической реакции организма на задержку дыхания, и термин пришлось пересмотреть. «Нырятельный ответ» состоит из целого ряда физиологических реакций:

— Периферическая вазоконстрикция. Сужение периферических сосудов приводит к централизации кровообращения, что способствует более экономичному расходованию кислорода. Кровь перераспределяется от конечностей к жизненно важным органам. В то же время уменьшение кровообращения в периферических тканях (в мышцах рук и ног) способствует накоплению лактата (молочной кислоты). Регулярные тренировки на задержке дыхания, а также специальные тренировки помогают увеличить толерантность мышц к лактату. С периферической вазоконстрикцией также связано повышение артериального давления во время задержки дыхания. Так, в исследованиях на высококвалифицированных спортсменах-фридайверах было показано увеличение общего периферического сосудистого сопротивления в 4–5 раз, а систолическое давление достигало 220–240 мм рт. ст во время максимальной задержки дыхания. Также было показано, что повышение артериального давления приводит к замедлению частоты сердечных сокращений, что является следствием барорефлекса (рефлекса, возникающего в ответ на раздражение рецепторов растяжения и посылающего сигнал в центры регуляции).

— Брадикардия. Брадикардия — это снижение частоты сердечных сокращений при задержке дыхания. Величина снижения может достигать 60–70 % от исходного уровня. У высокотренированных фридайверов пульс во время задержки дыхания может снижаться до 30–35 ударов в минуту. Снижение частоты сердечных сокращений уменьшает потребность сердца в кислороде, что в свою очередь позволяет увеличить длительность задержки дыхания. Замедление частоты сердечных сокращений связано со снижением сердечного выброса, которое вызвано увеличением влияния блуждающего нерва на сердце. При охлаждении лица и/ или гипоксии этот эффект усиливается. Существенным для развития реакции организма является возраст, а также наличие или отсутствие опыта погружения. Брадикардия в ответ на погружение хорошо выражена у детей 4–12-месячного возраста, что, по-видимому, может иметь значение для выживаемости во время эпизодов гипоксии при рождении. С возрастом ответная реакция на погружение ослабевает. Эта реакция является более выраженной у людей, постоянно занимающихся фридайвингом.

— Кровяной сдвиг. Эта физиологическая реакция имеет особое значение при погружениях на глубину. Связанна она с тем, что давление окружающей среды сжимает легкие, а в связи с увеличением периферического сопротивления сосудов кровь перераспределяется, и внутрилегочные капилляры заполняются кровью. Этот механизм позволяет защитить легкие от коллапса (схлопывания) и баротравмы на больших глубинах.

— Сокращение селезенки. Исследования показывают, что сокращение селезенки также является частью «нырятельного ответа». В результате этого механизма из селезенки в кровь поступают дополнительные эритроциты, которые позволяют запасти еще больше кислорода и увеличить длительность задержки дыхания. Подтверждением этому является тот факт, что у здоровых людей, которым была выполнена спленэктомия (удаление селезенки), не отмечается повышения концентрации гемоглобина в ответ на задержку дыхания.

Таким образом «нырятельный ответ» обладает кислородосберегающим эффектом. Он запускается после начала задержки дыхания. Выраженность нырятельного рефлекса зависит от тренировочного стажа. Чем дольше человек занимается фридайвингом, тем более выраженным становится «нырятельный ответ». Это позволяет опытным фридайверам значительно дольше находиться на задержке дыхания, при этом медленнее расходуя кислород. Поскольку фридайверы способны на очень длительные задержки дыхания без потери сознания, было выдвинуто предположение, что у них развивается более совершенный защитный механизм против гипоксии, чем у нетренированных людей. Этот механизм может быть результатом усиления адаптационных возможностей организма, а также результатом так называемого предварительного гипоксического эффекта или гипоксической готовности. В определенной степени подобного рода механизмы у фридайверов со «стажем» сходны с таковыми у ныряющих млекопитающих. Это сходство проявляется и в более выраженной периферической вазоконстрикции, которая проявляется у них, несмотря на повышенное потребление кислорода, вызванное движением при задержке дыхания в движении.