Физиология и развитие водолазного дела

Водолазное дело в его более-менее цивилизованной форме возникло более 150 лет назад. Не вдаваясь в глубокий исторический экскурс, следует отметить, что развитию водолазного дела и повышению безопасности водолазных погружений способствовали научные исследования, проводившиеся как за рубежом, так и в России.

Уже в 1729 г. русские ученые опубликовали в “Санкт-Петербургских новостях” научный трактат “О водолазах”, в котором были намечены задачи по изучению физиологии водолазного труда. После создания в Кронштадте в 1882 г. водолазной школы развитие водолазного дела ускорилось, что позволило русским водолазам достичь рекордных глубин при работе в вентилируемом снаряжении. Например, в 1895 г. на глубинах 50 м велись поиски затонувшего в Финском заливе броненосца “Русалка”.

В советские времена работы врачей-физиологов ЭПРОНа под руководством К. Павловского способствовали успешному проведению в 1936-1938 г.г. экспериментальных спусков водолазов при дыхании сжатым воздухом на глубине до 132 м.

За границей в эти времена рекордная глубина погружений водолаза составляла 105 м. Однако, проведенные эксперименты позволили сделать окончательное заключение, что воздух не может использоваться при практических работах на глубине более 80 м. Вместе с тем на Западе таким порогом считают 60 м.

Работа человека в условиях повышенного давления связана с влиянием на его организм многих вредных факторов. Повышенное давление - это необычный для него фактор. А для водолаза он сопряжен с такими явлениями, как перепады давления, изменения плотности дыхательных газов, их хим. состава, а также физических свойств (теплопроводность, влажность, температура, освещенность и др.), наконец, изменение парциального давления газов в дыхательной смеси.

Каждый из перечисленных факторов вызывает те или иные изменения в организме. Первые признаки изменения в деятельности центральной нервной системы появляются при давлении 3-4 атм. При этом снижается внимание, появляется небольшая эйфория. При давлении более 7 атм. уже значительно снижаются внимание и способность четко охарактеризовать по времени продолжительность того или иного действия, ухудшается память, возрастает количество ошибочных действий.

Повышение плотности дыхательной смеси влияет не только на вентиляцию легких (которая при давлении, например, 5 атм. вдвое уменьшается по сравнению с дыханием на поверхности), но и приводит к нарушению кислородного обмена в легких и возрастанию парциального давления углекислого газа в легких и крови. Это обстоятельство может привести водолаза к потере памяти под водой. Наконец, об основном неблагоприятном факторе. Известно, что при погружении в организме происходит растворение индифферентного газа, который не вступает в химические реакции в организме. Чем больше человек находится под водой и чем глубже, тем больше он насыщается азотом при дыхании воздухом и гелием (при гелиокислородной смеси), в полном соответствии с законом Генри-Дальтона. Если при последующем подъеме снижение давления (декомпрессия) превысит определенную величину, накопленный в крови и тканях газ не успевает выделиться через легкие путем молекулярной диффузии, возникает явление критического перенасыщения, а в крови и тканях образуются газовые пузырьки. Эти пузырьки приводят к местному и общему расстройству кровообращения с возможностью закупорки кровеносных сосудов и артерий. Возникает так называемая “кессонная” болезнь или декомпрессионное расстройство в легкой, средней или тяжелой формах, которое может быть предотвращено или ликвидировано только применением специального режима декомпрессии.

Впервые режимы декомпрессии в табличной форме были разработаны только в начале ХХ века английским физиологом Дж. Холденом. Исходя из знаний того, что кровь и различные ткани организма насыщаются и рассыщаются индифферентными газами с различной скоростью, Холден разбил их на 5 групп, а созданные им режимы декомпрессии были привязаны к таким предпосылкам. Однако практика и последующие исследования показали, что эти режимы требуют совершенствования с учетом влияния на декомпрессию таким факторов, как пониженная температура воды, характер рабочей нагрузки на водолаза, неоднократная смена рабочей глубины, необходимость повторных погружений в тот же день и т.п.

Таким образом, до настоящего времени продолжается поиск оптимальной математической модели, которая наиболее полно учитывала бы воздействие всех неблагоприятных факторов на водолаза, позволила бы создать полностью безопасные режимы компрессии и декомпрессии. Однако в этой работе сталкиваются два противоположных подхода. С одной стороны, желание ученых-физиологов создать абсолютно безопасные режимы (что ведет к увеличению времени декомпрессии), а с другой - длительная декомпрессия сопряжена с непроизводительным и дорогостоящим пребыванием водолаза в декомпрессионной камере, что не устраивает производственников, так как увеличиваются простои водолазных комплексов. Поэтому с учетом этих интересов сторон современные режимы декомпрессии не являются оптимальными и в каждой стране отличны.

Так наиболее “жесткими” считаются режимы, применяемые американскими водолазами. Российские режимы более мягкие и при их соблюдении реже возникают декомпрессионные расстройства.

Дальнейшие работы в бывшем СССР по увеличению глубины водолазных погружений связаны с именем академика Л. Орбели и его школы. Была определена пригодность гелия в качестве разбавителя кислорода, глубина применения которого в чистом виде ограничена 12-20 м. А также заменителя азота, который начинает наркотически действовать на глубинах 45-60 м и более, к тому же способствуя повышению плотности воздуха до физиологических пределов дыхания им с помощью легких, в создаваемых искусственных дыхательных газовых смесях. Молекулярный вес гелия почти в 4 раза меньше молекулярного веса азота. Гелий оказался индифферентным газом на глубинах до 200 метров. Война прервала проведение исследований, лишь в 1946 г. был осуществлен ряд рекордных погружений на глубины до 200 м. Дальнейшие достижения отечественной физиологии позволили создать технические средства и методы погружений, позволившие достичь в 1956 г рекордной глубины 300 м с применением для дыхания гелиево-кислородной смеси (ГКС). Формально на Западе считался мировым рекорд в 1956 г. англичанина Д. Вуки - 180 м. Только через 6 лет такой глубины на Западе достиг швейцарский ученый Г. Келлер. Однако из-за несовершенства технических средств с его напарником случилось несчастье. Надо отметить, что одной из главных задач по увеличению глубины погружений Келлер считал необходимость сокращения времени декомпрессии. Они использовал принцип смены дыхательных газов по мере выхода на поверхность. Рассчитав на компьютере около 25 тыс. вариантов, Келлер сумел подняться наверх за 48 мин. При этом до глубины 90 м он дышал ГКС, затем до глубины 60 м - более тяжелой азотно-кислородной смесью, вымывая более легкий индифферентный гелий из организма. Затем до глубины 15 м он дышал аргоново-кислородной смесью и с 15 м - чистым кислородом. Это направление было поддержано в Англии и во Франции, однако оно не получило практического применения, так как время пребывания на грунте не превышало при этом 20 мин.

Другим направлением водолазной физиологии по совершенствованию методов проведения водолазных погружений можно назвать исследование возможности применения для дыхания вместо воздуха и дыхательных смесей специальной жидкости с высоким содержанием кислорода и способной поглощать углекислый газ в организме. Впервые такая идея была выдвинута голландским физиологом И. Килстри. Известно, что 1 л воздуха содержит около 200 мл кислорода, а 1 л воды - только 7 мл. Начиная опыты с животными (мыши, а затем собаки), Килстри приготовил специальный солевой раствор, близкий по своим свойствам к плазме крови. Опыты на собаках, проведенные в ряде стран (в том числе и в бывшем СССР), дали обнадеживающие результаты. И хотя такой опыт был осуществлен даже на человеке (в Голландии), до практической реализации этого метода еще далеко по ряду технических, психологических и стоимостных причин.

За рубежом, и, в частности, в США и Англии независимо друг от друга проводились физиологические исследования по увеличению глубины водолазных работ, результатом которых стало создание в годы 2-й мировой войны гелиокислородного водолазного снаряжения для глубин до 160 м.

В послевоенные годы в США, Англии и Франции все более широко развернулись работы в области физиологии и создания глубоководной техники. Толчком к интенсификации этих работ послужила необходимость практического освоения континентального шельфа с целью добычи нефти и газа из подводных месторождений.

Созданные в указанных странах (как в последующем и в нашей стране) береговые гипербарические комплексы позволяли имитировать погружения в газовой среде и в гидротанках на глубины нескольких сотен метров.

По сравнению с рядом других сфер деятельности человека водолазное дело в его классической форме развивалось достаточно медленно. Успехи, о которых сказано выше, имелись. Однако крупных нововведений было все-таки мало.

Вместе с тем следует указать на три высших новшества за последние десятилетия:

создание акваланга, который освободил водолаза от шланга с поверхности и резко увеличил его маневренность под водой;

внедрение для дыхания вместо воздуха гелиокислородных смесей, что уменьшило опасность азотного опьянения на глубинах свыше 45-60 м, а также сократило время декомпрессии при более глубоких погружениях;

рождение идеи длительного пребывания под водой (под давлением) в условиях насыщения организма искусственной дыхательной средой.

Этот метод, названный на Западе “методом насыщенных”, или “сатурационных погружений”, был предложен дыхательной американцем Д. Бондом.

Известно, что при общепринятой методике краткосрочных погружений с поверхности рабочее время водолазов ограничено необходимостью проведения последующей декомпрессии для вывода из организма накопившихся индифферентных газов, время которой существенно увеличивается с возрастанием глубины и продолжительности пребывания на рабочей глубине.

Так, после 60-минутного нахождения на глубине 63 м декомпрессия займет 4 ч, а после 45 мин. работы на глубине 180 м - 53 ч, причем водолаз по своим физиологическим возможностям может совершить повторное погружение только через 1-2 суток после полного восстановления физиологических функций организма.

Суть метода такова. После полного насыщения тканей организма инертными газами, входящими в состав дыхательных смесей, что происходит через 24-30 ч после достижения рабочей глубины, человек может находиться на данной глубине и при данном давлении в течение нескольких недель. При этом, выполняя ежедневно работы в течение 5-6 ч. Декомпрессия проводится только после выполнения задачи, и составляя 5-12 суток в зависимости от глубины и продолжительности работ. Таким образом, метод ДП позволяет в десятки раз повысить возможность водолазу работать на большей глубине, что не позволяет метод краткосрочных погружений.

Примерно с 1957 г. Д. Бонд начал лабораторные исследования на животных, а потом и на добровольцах, стремясь узнать и изучить последствия воздействия длительного пребывания на организм.

В 1960-1965 г.г. в ряде стран были осуществлены десятки экспериментов в морских условиях с проживанием акванавтов в подводных домах. Наиболее интересные эксперименты были осуществлены учеными США и Франции в программах, соответственно, “Человек в море” и “Преконтинент” (СИЛАБ-1 - на глубине 60 м, 11 суток ДП; СИЛАБ-2 - на глубине 63 м, 15 суток ДП). В ходе программы СИЛАБ удачным оказался опыт американцев. Это было совершение экскурсионных бездекомпрессионных погружений на глубину 80 м. То есть оказалось возможным, при постоянном пребывании на основной глубине, совершать краткие (на 1-2 часа) погружения на глубину, превышающую 60 м, и после этого не проводить декомпрессию при возвращении на глубину 60 м. Это было важным вкладом в методику погружений. Последующие работы в США по совершенствованию методов выполнения водолазных работ и, в частности, программа “Атлантис”, позволили установить мировой рекорд в 1981 г, когда 3 акванавта в береговой барокамере достигли “глубины” 686 м с использованием для дыхания ГКС с 5% добавками азота.

Определенных успехов в увеличении глубины водолазных погружений добились и в Англии, где подобные работы проводились как ВМС, так и частными фирмами. В 1980 г. англичане при дыхании азотно-гелиево-кислородной смесью в барокамере на берегу достигли “глубины” 660 м. Однако соревнование в этой области развернулось между США и Францией, где безраздельным победителем, в конце концов, оказалась Франция в лице фирмы КОМЕКС.

Начало экспериментальных работ по длительному пребыванию человека под водой принадлежит одному из изобретателей акваланга всемирно известному исследователю моря Ж.-И. Кусто. Кусто провел серию морских экспериментов по программе “Преконтинент”, когда водолазы неделями жили в подводных домах на глубинах в несколько десятков метров. В частности, “Преконтинент-3” проводился на глубине 100 м в течение 21 суток, при этом водолазы совершали бездекомпрессионные выходы в море для работ на глубинах до 150-180 м.

Полученные в разных странах новые научных данные в области физиологии подводных погружений все более и более отодвигали возможный предел глубин, на которых человек мог работать. Еще недавно многим специалистам подводного дела представлялось, что человек не может работать на глубинах более 300 м. В дальнейшем этот порог был смещен до 450-500 м. И вот, наконец, последние достижения Франции (КОМЕКС) показали, что вполне достижима для работ глубина 600 м и более, а физиологические возможности человека позволят ему достичь 1000-1500 метровой отметки глубины по мере разработки методов погружения и создания необходимых технических средств.

Реализация программ “Сатурация”, “Физали”, “Янус” и “Гидра”, помимо установленного мирового рекорда пребывания акванавтов на морской глубине (530 м в 1988 г) и в гидротанке берегового барокомплекса (701 м в 1992 г), подвели фирму КОМЕКС к созданию промышленных водолазных систем. Эти системы после сравнительно недорогого и краткого по времени дооборудования рядом узлов типового глубоководного водолазного комплекса (ГВК) позволяют увеличить глубину работ в таком ГВК с 300-400 м до 500-600 с заменой для дыхания ШКС на водородно-гелиево-кислородные смеси.

Как известно, в процессе исследований и практических работ выявились такие отрицательные качества гелия (в свое время заменившего азот для увеличения глубины погружений), как наркотичность воздействия и достаточно высокая плотность дыхательного газа (смеси) на глубинах более 300 м. Поэтому появилась идея применить в составе дыхательных смесей водород, который по молекулярному весу вдвое легче гелия.

Исследования показали, что применение водорода также существенно сдвинуло в сторону больших глубин порог такого неприятного для водолазов явления, как нервный синдром высокого давления. Характерно, что во время всех экспериментов по программе с водородом (“Гидра”) акванавты в замечательно короткие сроки сооружали головоломные конструкции их труб по чертежам, а также подвергались интенсивной нагрузке без каких-либо отрицательных последствий.

В нашей стране разработкой метода ДП начали заниматься в конце 60-х годов. К 1975 г. были успешно проведены эксперименты по 30-суточному пребыванию группы акванавтов “на глубине” до 300 м в береговом бароцентре ВМФ под С.-Петербургом. Этим экспериментам предшествовали исследования на животных, успешно проводившиеся в институтах им И.М. Сеченова и И.П. Павлова Академии наук.

В 1970 г. на специально дооборудованной подводной лодке под Севастополем успешно был проведен эксперимент 30-суточного пребывания акванавтов на глубине 100 м. В конце 80-х годов на подводной лодке-лаборатории ВМФ на Черном море военные акванавты достигли глубин 300 м, проработав под водой несколько недель.

В 1997 г. на упомянутой базе под С.-Петербургом был введен новый барокомплекс, позволяющий акванавтам осуществлять сатурационные погружения на глубины до 500 м. В журнале “Октопус” сообщалось об этих достижениях, в том числе о том, что ряд испытателей и организаторов исследований был награжден высокими государственными наградами.

По имеющейся информации, в настоящее время Россия является второй после Франции страной, где проводятся исследования по применению водородосодержащих искусственных дыхательных смесей, правда, пока на мелких животных. Работы ведутся в институте медико-биологических проблем Минздрава.

Несколько подробнее хотелось бы остановиться на решении проблем переохлаждения водолазов, которое является наиболее неблагоприятным фактором при погружениях под воду.

Известно, что человек обладает системой терморегуляции, которая обеспечивает поддержание температуры тела при значительных ее колебаниях в окружающей среде. На теле человека ученые насчитывают около 250 тысяч холодовых и около 300 тысяч тепловых точек. Теплоотдача происходит через кожу, а также путем испарения влаги с поверхности легких. Вода при той же температуре отбирает в 11 раз больше тепла, чем воздух, а у водолаза при дыхании газовой смесью с присутствием гелия дополнительная теплоотдача происходит из-за высокой теплопроводной способности гелия. Особенно быстро переохлаждение наступает при попадании воды в подрубашечное пространство гидрокомбинезона сухого типа. С переохлаждением резко увеличивается потребление организмом кислорода, используемого в процессе терморегуляции. Например, если в воздухе при температуре +25 градусов по Цельсию человеку требуется около 250 мл кислорода в минуту, то при такой же температуре в воде ему нужно уже 800 мл/мин, а при температуре воды +10 градусов - до 1600 мл/мин. При переохлаждении развивается сильное торможение в высших отделах центральной нервной системы. Появляются безразличие, сонливость, сильные боли в межреберных мышцах, потеря сознания и т.д.

Водолазная физиология разработала систему профилактических мер, направленных на борьбу с переохлаждением. К ним относятся средства пассивной и активной защиты человека от холода. К первым относятся шерстяное и другое белье, одеваемое под гидрокостюм. В нормативных документах, определяющих правила водолазных работ, указываются допустимые пределы продолжительности пребывания водолаза под водой при той или иной температуре воды.

Использование средств активной защиты позволяет водолазу гораздо увереннее чувствовать себя под водой и, находясь в комфортных условиях, показывать значительно большую производительность при выполнении любых, в том числе и самых тяжелых работ. Наиболее распространенным является применение горячей воды, подаваемой по шлангу к специальному водо-обогреваемому гидрокостюму. Не в пример практике работ российских водолазов на Западе повсеместно (кроме тропических вод) применяется водообогреваемое снаряжение при работах во всем диапазоне глубин, т.е. начиная с 5 - 10 м и глубже. Горячая вода обычно подается от нагревательных котлов, установленных стационарно на судах или от переносных блоков обогрева, которые можно размешать на стенках или на надувных лодках типа “Зодиак”.

Применение систем электрообогрева, радиоизотопных источников, медикаментозных препаратов не получило практического применения у профессиональных водолазов из-за повышенной опасности нетехнологичности таких систем или высокой стоимости и др. причинам.

В настоящее время системы водообогрева являются практически единственным и надежным активным средством профилактики переохлаждения водолазов, позволяющим работать в течение нескольких часов при температуре воды от +4 до 0 градусов по Цельсию на глубинах до 450 - 530 м.

В заключение следует отметить, что достижения современной физиологии водолазного дела во многом позволили преодолеть такие “физиологические барьеры”, препятствующие погружению на глубины сотен метров, как:

- нервный синдром высоких давлений;

- недостаточность дыхательной и сердечно-сосудистой системы, связанные с повышенной плотностью газовой среды;

- снижение иммунобиологической сопротивляемости организма и связанной с этим заболеваемостью водолазов.

Эти достижения позволили разработать режимы декомпрессии, труда и отдыха водолазов, создать комплекс технических средств, обеспечивающих высокоэффективную работу водолазов, создавать для них надежные средства защиты от переохлаждения, что является одной из главнейших задач при погружениях под воду. Особо важно учитывать высокую теплопроводность гелия, превышающего этот показатель воздуха в 6 раз.

Дальнейшие работы ведутся в области:

- совершенствования методов отбора и подготовки водолазов, причем при освоении больших глубин проблема психологической подготовки акванавтов приобретает важное значение наряду с проблемами физиологического и технического характера. Постоянная угроза опасности, создаваемая такими факторами, как глубина (давление), низкая температура, ограниченная видимость, затрудняющая ориентировку под водой, несовершенство водолазного снаряжения и средств обеспечения подводных работ угнетающе воздействуют на человека, мешая ему полностью сосредоточиться на выполнении задания. Все это заставляет особенно тщательно отбирать и обучать водолазов, работающих на больших глубинах с применением дыхательных смесей;

- оптимизации режимов компрессии и декомпрессии;

- профилактики и лечения неспецифических заболеваний, то есть не связанных непосредственно с воздействием подводной среды или дыхательной среды повышенного давления;

- разработки специальной медицинской аппаратуры, осуществляющей контроль состояния организма водолазов при нахождении в искусственной газовой среде повышенного давления;

- разработки комплекса физиологических и технических мер по повышению безопасности водолазных погружений и повышению производительности водолазного труда, в том числе с применением медикаментозных препаратов.