Исследования влияния различных концентраций углекислого газа на умственную деятельность студентов

* Прим. ред.: Во Франции в августе 2003 г. от жары умерли почти 45 тыс. человек (жара была невиданная, под 40 °С): 15 тыс. в Париже и еще не менее 30 тыс. человек в других городах. Возможно, такая же беспрецедентная катастрофа постигла и Испанию, и Италию — точные данные тщательно скрываются. Диагноз умерших определялся как сердечная недостаточность и обострение других болезней (в документах не указывалось, что причина смерти — жара, «перегрев» или вызванные ими инфекционные заболевания). Не лучше дела и в других странах Европы. В Нидерландах в температурный пик лета 2003 г. «нетипичная» смертность достигала 25 человек в день. Министерство здравоохранения Португалии назвало общую цифру (куда включены погибшие от лесных пожаров) в 1316 человек. СМИ пишут о 2000 жертв жары в Италии и примерно таком же количестве в Испании (только в Мадриде от перегрева умерло якобы 370 человек). Статистика в основном неофициальная, т.к. органы здравоохранения отказываются проводить соответствующие расследования, ссылаясь на невозможность в данных случаях отделить «неестественные» причины смертей от «естественных». Получается, что от перегрева за один месяц (или, максимум, полтора) в Старом Свете умерло больше, чем от атипичной пневмонии во всем мире за полгода!

1. Neftal A., Oeschger H., Schwander J., Steuffer B. and Zumbrunn R., Ice core sample measurement gives atmospheric CO2 content over the past 40,000 yr. Nature, 1982. 2. Petit J.R. et al., Climate and atmospheric history of the past 420,00 years from the Vostok ice core. Antarctic. Nature, 1999. 3. Berner R.A., Lasaga C. and Garrels R.M., The carbonate-silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years. Am. J. Sci., 1983. 4. Robertson D.S. The rise in the atmospheric concentration of carbon dioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001. 5. Keeling C.D. and Whorf T.P., Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa. Period of record 1958–2003. Carbon Dioxide Research Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California, Internet source. 6. Wiederkehr M. and Krapf R., Metabolic and endocrine effects of metabolic acidosis in humans. Swiss Med. Wkly, 2001. 7. Seppanen O.A., Fisk W.J. and Mendell M.J., Association of ventilation rates and CO2 concentrations with health and other responses in commercial and institutional buildings. Indoor Air, 1999. 8. Erdmann C.A., Steiner K.C. and Apte M.G., Indoor carbon dioxide concentrations and sick building syndrome symptoms in the BASE study revisited: Analyses of the 100 building dataset. Proceedings Indoor Air, 2002, III. 9. Smith K.R., National burden of disease in India from indoor air pollution — 400–550 thousand premature deaths can be attributed annually to use of biomass fuels in India. School of Public Health, University of California, Berkeley, 2000. 10. Radiative forcing of climate change. Report of the Scientific Assessment Working Group of IPCC. Summary for policymakers (issued by the Meteorological Office, Bracknell, UK), 1994. 11. Raman M.M., Chowdhury U.K., Mukherjee S.C., Mondal B.K., Paul K. and Lodh D. Chronic arsenic toxicity in Bangladesh and West Bengal, India — a review and commentary. J. Clin. Toxicol, 2001. 12. Hernberg S., Lead poisoning in a historical perspective. Am. J. Ind. Med. 13. Seyferth D., The rise and fall of tetraethyl lead. 1. Discovery and slow development in European universities, 1853–1920. Organometallics, 2003. 14. Carson R., Silent Spring Houghton Mifflin, Boston, 1962. 15. Hirano A., Malmud N. and Kurland L., Parkinsonismdementia, an endemic disease on the island of Guam. II. Pathological features. Brain, 1961. 16. Conroy G.C., Primate Evolution W.W. Norton Publishers, New York, 1984. Received 13 July 2005; revised accepted 15 January 2006.

Формирование CO2 и его воздействие на здоровье человека

Углекислый газ образуется в клетках организма (в количестве 0,7 кг в день) и из них распространяется по окружающим капиллярам. Он передаётся через кровь, будучи химически связанным в составе белков, таких как гемоглобин, или в растворенном виде. Бóльшая часть CO2 физически растворяется, и лишь незначительная его часть преобразуется карбоангидразой эритроцитов в углекислоту, которая в водной среде распадается на водород и ионы гидрокарбоната. Углекислый газ выделяется через альвеолярную мембрану в лёгких.

Главная физиологическая функция углекислого газа в организме состоит в регулировании дыхания через химические рецепторы аорты и продолговатого мозга, который стимулирует дыхательный центр в стволовой части мозга. Повышенное содержание CO2 во вдыхаемом воздухе учащает дыхание, повышая дыхательный объём. При этом углекислый газ оказывает отложенный эффект на бронхиолы, что приводит к увеличению объёма неиспользуемого пространства (пространства дыхательной системы, не задействованного в газообмене). Однако отложенный эффект влияния углекислого газа на периферийные и центральные артериолы не приводит к снижению кровяного давления, поскольку повышенная выработка адреналина вызывает компенсирующее сужение сосудов.

Эффект воздействия на человека различных концентраций CO2 представлен в табл. 1.

CO2 в помещении

Углекислый газ считается основным параметром антропогенного загрязнения воздуха, поскольку повышение концентрации CO2 в помещении коррелирует с ростом интенсивности запахов, являющихся продуктом человеческого метаболизма. Таким образом, содержание CO2 в воздухе помещения прямо отражает интенсивность его использования. Оно также может служит ориентировочным маркером для других регулируемых областей, таких как планирование размеров систем вентиляции и кондиционирования или инструкции по проветриванию в таких активно используемых помещениях с естественной вентиляцией, как школьные классы или залы собраний.

В используемых помещениях концентрация CO2 в основном зависит от следующих факторов:

1. Число людей в помещении, объём помещения.

2. Активность пользователей внутри самого помещения.

3. Время, которые пользователи проводят в помещении.

4. Процессы сгорания в помещении.

5. Воздухообмен и объёмный расход наружного воздуха.

Быстрый рост концентрации CO2 в помещении — типичное следствие присутствия множества людей в относительно небольших пространствах (например, в залах для собраний, конференций или в школьных классах) с низкой кратностью воздухообмена. Критические концентрации CO2 обычно соседствуют с другими факторами загрязнения воздуха, особенно с неприятными запахами пота или косметики, а также микроорганизмами. В герметичных помещениях с очень низкой кратностью воздухообмена концентрация CO2 может расти даже в присутствии совсем небольшого количества людей (в квартирах или офисах).

В обоих случаях CO2 прямо влияет на ощущение комфорта от нахождения в помещении. Европейские совместные действия (ECA) определяют следующие уровни недовольства микроклиматом на основе модельных расчётов. Начиная с 1000 ppm, примерно 20 % пользователей помещения могут быть недовольны, и это число вырастет приблизительно до 36 % при 2000 ppm.

В то время как залы для собраний и конференций обычно используются от случая к случаю и кратковременно, в школьных классах ученики и учителя регулярно находятся на протяжении многих часов, поэтому концентрация CO2 в их воздухе имеет критическое значение. Текущие и прошедшие исследования в разных частях Германии, посвящённые концентрации углекислого газа в школьных классах, неизменно демонстрируют недостаточное качество воздуха, связанное с этим параметром.

Объёмный расход наружного воздуха, кратность вентиляции и оценка концентрации CO2

Микроклимат в помещении воспринимается как комфортный при температуре от 20 до 23 °C и относительной влажности (ОВ) воздуха от 30 до 70 %. Однако для людей с аллергией на пылевых клещей рекомендуется максимум 50 % относительной влажности. При этом рекомендуются контрольные замеры официально поверенным гигрометром. Скорость воздуха в помещении не должна превышать 0,16 м/с (зимой) и 0,25 м/с (летом). Когда вы входите в комнату, где есть люди, иногда возникает ощущение «спёртого воздуха». Причинами могут быть выдыхаемый углекислый газ, пар и запах пота.

Уровни опасности при оценке концентрации CO2 в воздухе в помещении представлены в табл. 2.

Синдром больного здания

Термин «синдром больного здания» можно трактовать двумя способами. С одной стороны, он относится к зданиям, в которых люди во время работы чувствуют себя больными, а с другой стороны — сами здания можно назвать «больными».

Причиной возникновения синдрома больного здания обычно является система кондиционирования или недостаточная гигиена воздуха в здании. При этом наблюдается множество симптомов, таких как: раздражение глаз, носа и горла, ощущение сухости кожи и слизистой оболочки, психологическая усталость, частые респираторные заболевания и кашель, хрипота, одышка, зуд и неспецифическая гиперчувствительность.

Американское исследование, проводившееся в зданиях с системами кондиционирования и вентиляции, позволило на основе статистических данных продемонстрировать чёткую прямую зависимость между жалобами на сухость в горле или раздражение слизистой оболочки и повышенной концентрацией CO2 , даже если она была ниже 1000 ppm в абсолютном выражении.

Более поздние исследования показали, что затраты на устранение проблем, связанных с неблагоприятным микроклиматом в здании, часто оказываются для работодателя, владельца здания и государства выше, чем затраты на энергообеспечение этого здания.

Также было доказано, что хороший микроклимат может повысить общую работоспособность и эффективность обучения, при этом снизив коэффициент отсутствия на рабочем месте.

Нормы содержания CO2 в воздухе помещения

В России существуют нормативы для оценки качества воздуха в помещениях. Согласно им, качество воздуха в помещении считается высоким при концентрации CO2 на уровне 400 ppm и ниже. Средним и допустимым являются значения концентрации CO2 на уровне 400–600 и 600–1000 ppm, соответственно. И уже при превышении показателя в 1000 ppm уровень качества воздуха в помещении является низким.

Технология измерения CO2

Компания Testo предлагает три типа приборов для измерения и мониторинга концентрации CO2 в помещениях:

1. Портативные приборы, например, testo 535 — анализатор углекислого газа с фиксированным зондом.

2. Логгеры данных, например, testo 160 IAQ — помимо CO2 они непрерывно регистрируют температуру и влажность. Результаты измерений по Wi-Fi передаются в «облако», что позволяет рассылать уведомления о нарушениях граничных значений по e-mail или SMS. Наглядная система оценки по типу «светофора» позволяет ответственным сотрудникам моментально видеть текущее состояние качества воздуха.

3. Многофункциональные приборы, например, testo 440, которые измеряют все параметры вентиляции и кондиционирования, такие как скорость воздуха, температуру, влажность, степень турбулентности, концентрацию угарного газа (СО) или освещённость.

До недавнего времени в научных статьях и исследованиях уровень СО2 в помещении рассматривался лишь как суррогатный показатель адекватной работы вентиляции, однако исследования ученых, проведенные в последнее время, показывают, что даже при низких концентрациях углекислый газ сам по себе токсичен для человека. Всем знакомо ощущение духоты в помещении и связанные с этим симптомы: усталость, сонливость, раздражительность, сложность с концентрацией внимания.

Такие состояния многие связывают с нехваткой кислорода. Однако расчеты показывают, что появление этих симптомов вызвано с тем, что содержание углекислого газа превысило комфортный и безопасный для человека уровень, в то время как кислород остается еще на уровне, вполне нормальном для дыхания человека. Поэтому добавление кислорода в воздух кислородными генераторами ничего не дает, если не удалять избыток СО2 из воздуха помещения.

Результаты замеров уровня СО2 и О2 в школьном классе показывают, что в конце урока уровень СО2 увеличивался до 1650 ppm (частиц на миллион частиц), а уровень кислорода держался в пределах 15–20 %, что является вполне нормальными условиями, при которых состояние человека никак не меняется. Данные измерения демонстрируют, что, несмотря на достаточное количество кислорода в воздухе помещения, человек начинает ощущать симптомы нехватки свежего воздуха именно из-за избытка углекислого газа.

Основным источником углекислого газа в помещении является человек, кроме того, углекислый газ поступает в помещение с улицы через вентиляционные системы и открытые окна.

Влияние углекислого газа на организм человека

Последние исследования ученых показали, что нахождение в помещении с повышенной концентрацией СО2 в воздухе может привести к негативным изменениям в крови. Под влиянием углекислого газа происходит снижение величины pH в сыворотке крови (ее кислотность увеличивается), что ведет к ацидозу. В этом состоянии организм плохо усваивает такие минералы, как кальций, натрий, калий и магний, которые из-за избыточной кислотности выводятся из организма.

Ацидоз может наносить вред организму незаметно, но постоянно в течение нескольких месяцев и даже лет. Ацидоз может спровоцировать заболевания сердечнососудистой системы, прибавление в весе, диабет, снижение иммунитета, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, общую слабость и др. Особенно негативно коварный и незаметный углекислый газ влияет на людей, страдающих аллергией и астмой.

Токсичный уровень СО2

В научных исследования описано, как высокий уровень СО2 влияет на здоровье человека. Когда концентрация углекислого газа в помещении достигала 600 ppm (0,06 %), люди начинали чувствовать ухудшение качества воздуха. Если концентрация СО2 продолжала расти, у некоторых людей появлялись симптомы отравления углекислотой: проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость.

Уровень углекислого газа в офисном помещении

На рис. 3 приведены результаты замеров уровня СО2, которые были сделаны в течение двух рабочих дней (18–19 марта) при помощи прибора даталоггера в офисном помещении одной из компаний в городе Хельсинки, Финляндия. График показывает, как уровень СО2 в офисном помещении может меняться в течение дня. Так, 18 марта был обычный рабочий день, но некоторые из сотрудников не присутствовали в офисе, а 19 марта, когда в помещении были все сотрудники, уровень углекислого газа вырос до отметки 1600 ррm, что негативно отразилось на работоспособности персонала.

Из графика ясно, что разовые замеры уровня углекислого газа неэффективны, поскольку зависят от времени дня и загруженности помещения. Поэтому более объективными являются показания, снятые непрерывно хотя бы в течение одних суток.

Состояние проблемы в России

Исследования проводились для концентраций СО2 ниже 10000 ppm (1 %), однако столь высокие концентрации пока невозможно встретить в имеющихся в настоящее время жилых и офисных помещениях. Было выявлено, что нежелательные сдвиги в функции внешнего дыхания отмечаются при действии СО2 в концентрации свыше 5000 ppm. При концентрации 500–1000 ppm никаких отрицательных явлений не отмечается.

Эти исследования не проводились для случаев, когда люди подвергаются длительному воздействию повышенного уровня СО2 в помещении. Неслучайно все западные исследования проводились в школах или в офисах — в этих помещениях люди находятся по нескольку часов ежедневно в течение нескольких месяцев. Нужно также заметить, что уровень углекислого газа в атмосфере даже крупных городов был значительно ниже.

В первой камере уровень СО2 всегда был равен 600 ррm (0,06 %), а во вторую камеру постоянно добавляли большое количество чистого углекислого газа так, чтобы качество воздуха по всем остальным показателям, кроме содержания СО2, было хорошим. Люди, находившиеся в камерах, должны были в течение 70 мин. проводить поиск ошибок в текстах, которые им предлагались. Первый тест проводился при уровне СО2, равном 5000 ррm (0,5 %). Испытуемые, которые не знали о том, каков уровень углекислого газа в камере, крайне низко оценивали качество воздуха в помещении.

Способность концентрировать внимание была значительно хуже, чем у испытуемых в первой камере. Второй тест проводился при уровне СО2, равном 4000 ррm (0,4 %). Количество ошибок, сделанных испытуемыми во второй камере, было значительно выше, чем у испытуемых в первой камере. Третий тест проводился для уровня 3000 ррm СО2. Концентрация внимания испытуемых в этом тесте была низкой, а количество ошибок намного выше, чем у тех, кто находился в первой камере с воздухом хорошего качества.

Результаты данного исследований наглядно подтверждают тот факт, что именно углекислый газ, а не какие-либо другие антропогенные загрязнители воздуха помещения, в котором находятся люди, влияет на их самочувствие и работоспособность. В свете данных исследований можно с уверенностью сказать, что гигиеническая норма 4597 ppm для воздуха рабочей зоны производственных помещений сильно завышена. Согласно последним исследованиям, проведенным в США, из-за ухудшения качества воздуха в помещении продуктивность работы офисного персонала может снизиться на 12 %.

Принимая во внимание результаты исследования, описанного выше, можно сделать вывод о том, что необходимо контролировать уровень углекислого газа во всех помещениях, где работают люди. Особенно это касается тех мест, где работает персонал, от которого требуется высокая концентрация внимания, таких, например, как диспетчерские аэропортов и атомных станций. Относится это и к помещениям, в которых работает персонал, по роду своей деятельности занимающийся расчетами, а также набором или сверкой текстов и др.

В этом стандарте сказано, что по содержанию СО2 воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ррm. Трудности заключаются в том, что службы Центра по гидрометеорологии не ведут мониторинг атмосферного уровня СО2 в городах, а за рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, признан типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету.

Возникает законный вопрос: если в различных районах городов России никто не замеряет уровень СО2, то чем следует руководствоваться, чтобы правильно рассчитать необходимый уровень подачи воздуха в помещение посредством вентиляции? Если в центре Москвы, например, концентрация углекислого газа может быть 800 ррm и выше, что в сумме дает 800 + 350 = 1150 ррm, то качество такого воздуха в помещении даже хорошим назвать сложно, а по расчетам в соответствии с вводимым нормам качество этого воздуха должно считаться отличным.

В большинстве стран, принявших Европейский стандарт 2004 г., по качеству воздуха, углекислого газа в воздухе городов значительно меньше, чем в крупных городах России. Это происходит потому, что в Европе нормы по уровню содержания СО2 в выхлопных газах автомобилей значительно строже. Если взять для примера Москву, где автомобильный парк насчитывает уже около три миллиона автомобилей, то только треть из них по уровню содержания СО2 в выхлопных газах отвечает Европейскому стандарту.

А ведь именно автотранспорт является основным источником углекислого газа на улицах городов. Поэтому применение нового ГОСТ к расчету необходимого воздухообмена для помещений, находящихся в крупных российских городах, представляется мало возможным.

Как сберечь «вентиляционное» тепло

Ясно, что увеличение кратности воздухообмена при таких условиях ничего не дает. Более того, как показывает расчет, для чистоты воздуха в помещении при некоторых условиях кратность воздухообмена не является существенным фактором. Рассмотрим пример. Человек в спокойном состоянии выдыхает около 2 м3/ч. Если представить, что человек находится в комнате площадью 20 м2 с высотой потолков 3 м (объем комнаты составляет 60 м3), то понятно, что при однократном воздухообмене он будет дышать воздухом, состоящим на 2/60 = 3,3 % из старого и 96,7 % нового внешнего воздуха.

При двукратном воздухообмене во вдыхаемом воздухе будет 2/120 = 1,6 % старого воздуха и 98,4 % нового. Чистота внутреннего воздуха, таким образом, изменится незначительно, но затраты на его нагрев вырастут вдвое. При расчете необходимого воздухообмена следует учитывать, что рост энергопотребления вентиляционными системами в свою очередь приводит к увеличению выброса углекислого газа в атмосферу.

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха в помещениях, где находятся люди, можно считать очистители воздуха, основанные на методе абсорбции ЛОС и других загрязняющих воздух помещения веществ. Правильное сочетание очистителей воздуха с разумным уровнем вентиляции может дать очень хороший результат и хороший уровень энергосбережения. До недавнего времени рекомендации по борьбе с углекислым газом в помещении сводились к усилению воздухообмена.

Все это помогает в условиях экологически благополучных городов и деревень. В условиях мегаполисов для достижения низкого уровня единственно возможным представляется искусственное удаление избытка СО2 из воздуха внутреннего помещения. До недавнего времени такая возможность не представлялась реальной, т.к. на рынке не существовало устройств очистки воздуха соответствующего типа.

Финские ученые нашли способ решения этой проблемы. Изобретенное им бытовое устройство Uniqfresh удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип действиях прибора основан на абсорбции (поглощении) избытка СО2 из воздуха помещения в то время, когда там находятся люди, и регенерации фильтра абсорбера в периоды, когда помещение не используется. Это единственное в мире бытовое устройства очистки воздуха подобного рода.

Кроме того, Uniqfresh с помощью угольного фильтра и фильтра HEPA очищает воздух от других опасных для здоровья загрязнений, таких как пыль, перхоть домашних животных, пыльца, споры плесени и микроскопические частицы. Выпускаются две модели — Uniqfresh 100 и 400, имеющие производительность 72 и 180 м3/ч, соответственно.

Экономия электроэнергии с помощью прибора Uniqfresh

Устройство Uniqfresh 400 очищает в час 180 м3 воздуха от СО2 и других загрязнений. Одного устройства достаточно для помещения около 40 м2. За 10 ч работы устройство потребляет 40 × 10 = 400 Вт. За весь процесс регенерации оно потребляет около 3 кВт электроэнергии. Итого за весь цикл работы в сутки — 3,4 кВт. Если вентиляционная система работает так, что обеспечивается подача воздуха в помещение на уровне 180 м3/ч в течение 10 ч при температуре на улице 0 °C, то расходы электроэнергии только на подогрев воздуха составят минимум 1,25 × 10 = 12,5 кВт.

Установив в такой комнате устройство Uniqfresh, можно уменьшить воздухообмен в помещении и сократить затраты на обогрев/охлаждение воздуха, поступающего с улицы. Абсорбер углекислого газа может существенно улучшить качество воздуха в помещениях, где нет вентиляции. Он также может явиться разумным дополнением к существующим или устанавливаемым вновь вентиляционным системам.

• Углекислый газ даже в низких концентрациях токсичен. Условия для человека будут наилучшими, если в помещении уровень углекислого газа максимально приближен к атмосферному.
• Концентрация СО2 в помещении требует повсеместного контроля. Особенно это важно для промышленных городов и мегаполисов, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым газом. Необходимо делать замеры уровня углекислого газа во всех помещениях, где находятся люди, особенно это касается детских учреждений. Но нужно помнить, что есть смысл замерять уровень углекислого газа только в то время, когда помещение используется максимально и не ранее, чем в середине рабочего дня. Замеры уровня СО2 при сдачи вентиляции в эксплуатацию в новых зданиях не имеют никакого смысла.
• Неэкономное расходование электроэнергии вентиляционными системами ведет к дополнительным выбросам СО2 в атмосферу. По причине постоянного роста содержания СО2 в атмосфере городов поддержание безопасного и комфортного для человека уровня углекислого газа в помещении при помощи вентиляционных систем с каждым годом становится все менее возможным и более энергозатратным без принудительного удаления его из помещения. Необходимо найти компромиссное решение этой проблемы путем сочетания разумного количества воздуха, подаваемого вентиляцией, и принудительной его очисткой в помещении.

3 мая 1860 года в Шотландии родился Джон Скотт Холдейн — человек, чьи идеи и исследования легли в основу учения о дыхании. Холдейн доказал важную роль углекислого газа (СО2) как жизненно необходимого компонента в процессах регуляции дыхания. В частности, Холдейн занимался проблемой гиперкапнии — состояния, когда углекислого газа в крови становится слишком много. MedAboutMe разбирался, в каких случаях такое состояние возникает, для кого оно опасно и можно ли его распознать.

Углекислый газ в теле человека

Откуда берется углекислый газ в нашем теле? Прежде всего, мы получаем его в процессе дыхания. В специальных легочных пузырьках-альвеолах происходит обмен молекул СО2 на кислород (О2), который соединяется с белком-гемоглобином в эритроцитах (получается оксигемоглобин) и таким образом попадает к различным тканям и органам. Там происходит обмен О2 на СО2 — последний, в свою очередь, взаимодействует с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, и с его помощью транспортируется в легкие.

Кроме того, при расщеплении жиров и белков тоже образуются молекулы СО2, которые из клеток поступают в капилляры, а оттуда — опять же в кровь, и в виде бикарбонатов или карбоксигемоглобина отправляются в легкие.

Следует понимать, что сам по себе углекислый газ не является для нас ядом, токсичным веществом. Но при повышенной концентрации он занимает место на гемоглобине и не дает эритроцитам переносить кислород — человек погибает от удушья, а не от отравления. При высоких значениях СО2 в крови эритроциты гибнут, что усиливает эффект.

Гиперкапния как вариант нормы

Еще в начале XX века было доказано, что образующийся в теле человека (метаболический) углекислый газ не полностью выводится из организма через легкие. Часть такого СО2 остается, более того, газовый состав крови по углекислому газу — один из ключевых показателей гомеостаза организма (его стабильного состояния). Однако слишком высокая концентрация СО2 в крови вредна для организма.

Гиперкапния — это повышение концентрации углекислого газа в крови. Это состояние является частным случаем гипоксии — нехватки кислорода. Причем далеко не всегда гипоксия и, как следствие, гиперкапния развиваются в результате болезней или в силу пожилого возраста.

Почему не хватает кислорода здоровым людям?

Клетки тела даже здорового молодого человека могут недополучать кислород по следующим причинам:

• Неблагоприятная экология — нехватка О2 доходит до 15-20%.
• Малоподвижный образ жизни (гиподинамия): при физических нагрузках человек испытывает дефицит кислорода до 30% и в состоянии покоя — до 10%.

При физических нагрузках уровень СО2 естественно растет, что приводит к так называемой физиологической гиперкапнии. Это важный механизм, запускающий процессы адаптации нашего тела к повышенным нагрузкам. Как показали исследования, при беге со скоростью 10 км/час на дистанцию 10 км активизируется (открывается) в 30 раз больше капилляров, чем в состоянии покоя.

Кроме того, в 2-3 раза возрастает количество молекул оксигемоглобина, которые расщепляются с выделением кислорода. А разница в концентрации кислорода в крови между артериями и венами увеличивается в 3-4 раза. То есть, гиперкапния активизирует процессы максимального снабжения кислородом клеток тела.

Собственно, управление внешним дыханием, которое практикуют индийские йоги — это по сути использование физиологической гиперкапнии в условиях снижения легочной вентиляции в состоянии покоя человека. Эта практика йогов легла в основу метода доктора К.П. Бутейко.

Гиперкапния как проявление болезни

Однако нередко гиперкапния является патологией и при отсутствии лечения может приводить к тяжелым последствиям для организма. Часто это состояние развивается постепенно и мало себя проявляет. В результате человек может долгое время списывать его проявления на переутомление на работе, стрессы и т. п. В перечень симптомов, которые должны вызвать подозрение, входят:

• головокружение;
• постоянная сонливость и хроническая усталость;
• частые головные боли;
• ощущение дезориентации в пространстве;
• гиперемия (покраснение кожи) без видимой причины;
• одышка.

Нередко начальные симптомы гиперкапнии в виде поверхностного дыхания впервые проявляются во время сна — это организм пытается сбалансировать уровень СО2 в крови собственными силами.

При тяжелой гиперкапнии симптомы таковы, что может даже потребоваться вызов скорой помощи:

• спутанное сознание;
• депрессия или проявления паранойи;
• гипервентиляция, или учащенное дыхание;
• аритмия;
• потеря сознания;
• судороги мышц;
• панические атаки;
• эпилептические приступы.

Причины опасной для здоровья гиперкапнии

Это заболевание стоит на первом месте в рейтинге причин гиперкапнии. При такой форме ХОБЛ, как хронический бронхит, развивается воспаление и накопление слизи в дыхательных путях, а при эмфиземе происходит повреждение альвеол. В обоих случаях газообмен в легких нарушается, концентрация СО2 в крови растет.

Для этой патологии, от которой страдают, по разным данным, от 5 до 20% взрослых людей, характерны долгие паузы в дыхании или прерывистое поверхностное дыхание во время сна. Как результат, организм недополучает кислорода, а концентрация СО2 в крови растет. Характерные симптомы апноэ во сне: дневная сонливость, головная боль после сна, проблемы с концентрацией внимания.

Это врожденная патология, связанная с нехваткой фермента под названием альфа-1-антитрипсин. Это соединение, вырабатываемое печенью, является антипротеазой, то есть, он защищает легкие от ферментов протеаз, разрушающих ткани органа. Если альфа-1-антитрипсина не хватает, развивается эмфизема. Кстати, сигаретный дым повышает разрушительную активность протеаз, в частности, еще и поэтому у курильщиков ХОБЛ развивается раньше.

Любые болезни, приводящие к нарушению работы мышц и нервов, необходимых для функционирования легких, тоже будут приводить к гиперкапнии. В этот перечень входят боковой амиотрофический склероз, энцефалит, синдром Гийена-Барре, миастения, мышечная дистрофия, инсульт, гипотермия и др.

Люди с избыточным весом зачастую сталкиваются с тем, что не могут дышать достаточно глубоко и быстро, в результате чего у них развивается синдром гиповентиляции и, как результат, гиперкапния.

Отдельно следует сказать о ситуациях, когда гиперкапния развивается из-за повышенной концентрации СО2 (более 5%) во вдыхаемом воздухе:

• Задымленный воздух при пожаре
• Плавание с удлиненной трубкой для дыхания — в этом случае не всегда удается вывести из трубки отработанный воздух, в результате чего при следующем вдохе человек получает высокую дозу углекислого газа.
• Длительные задержки дыхания при погружениях.
• Недостаточная вентиляция в закрытом помещении при большом скоплении людей.

Если концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе превышает 3%, человека тянет в сон, он испытывает слабость, а при 5% СО2 — развиваются все самые неприятные проявления гиперкапнии, начиная от головокружения и головных болей и заканчивая удушьем и гибелью человека.

Наконец, к гиперкапнии может приводить передозировка некоторыми лекарствами, такими как опиоидные препараты или бензодиазепины.

Как определить гиперкапнию?

Если возникло подозрение на гиперкапнию, следует обратиться к врачу, который назначит обследование, включающее в себя следующие методы:

• Анализ артериальной крови на уровень СО2 и кислорода в крови.
• Спирометрия — при этом пациент дует в специальную трубку, а прибор показывает жизненную емкость легких, на основании чего можно определить и другие характеристики работы этого органа.
• Капнография — прибор для измерения концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе.

Лечат гиперкапнию вдыханием чистого кислорода при определенном давлении, чтобы гемоглобин успевал произвести обмен О2 на СО2. Также используются различные методы тренировки дыхания. Врач поможет подобрать наиболее эффективную схему лечения.

Нехватка кислорода опасна для организма сама по себе, но на ее фоне возникает еще одно опасное состояние — гиперкапния, отравление диоксидом углерода (CO2). Повышение уровня углекислоты в артериальной крови может быть опасным для любого организма, но наиболее тяжелые последствия наблюдаются у детей. Как выявить гиперкапнию и как защитить ребёнка от возможных осложнений, разбирался MedAboutMe.

Причины гиперкапнии

Недостаточный уровень кислорода и, как следствие, отравление двуокисью углерода может быть спровоцировано двумя группами причин — заболеваниями и внешними факторами.

К экзогенным (внешним) относят следующие:

• Пребывание в душном помещении, особенно это касается комнаты, в которой спит ребёнок, класса в школе, спортзалов.
• Пассивное курение. Младенцы могут получить интоксикацию даже на прогулке, если возле коляски много курят.
• Пожар. Задымление приводит к тяжелому отравлению СО2, поскольку уровень углекислоты в крови повышается не только из-за нехватки кислорода, но и потому что ребёнок непосредственно вдыхает углекислый газ.

Эндогенными (внутренними) причинами гиперкапнии становятся такие заболевания и патологии:

• Бронхиальная астма, бронхоспазмы.
• Болезни легких — отек, пневмония и другие.
• Кифозы и другие нарушения осанки, которые приводят к сдавливанию легких и не дают ребёнку полноценно дышать.
• Нарушения в работе центральной нервной системы.
• Повреждение ствола головного мозга, дыхательного центра. Происходит, в частности, после травмы или при наличии опухоли.
• Судороги, в том числе характерные для детей до 5 лет фебрильные судороги, возникающие при высокой температуре.
• Мышечные дистрофии.
• Сепсис.

Признаки отравления хронической формы

Признаки отравления углекислым газом сильно зависят от степени интоксикации. Врачи выделяют хроническую и острую гиперкапнию. При первой избыток СО2 может быть незначительным, но присутствует длительное время, а при второй отравление резкое и опасно для жизни.

Обратить внимание на здоровье ребёнка нужно при таких симптомах:

• Проблемы со сном: дети часто просыпаются ночью, беспокойно спят, на утро чувствуют усталость. Признаком отравления углекислотой станет и сонливость днем у детей школьного возраста.
• Снижение трудоспособности, проблемы с усвоением информации, плохая концентрация памяти.
• Перемены настроения. Ребёнок возбудим, может испытывать эйфорию, а после впадать в апатичное состояние. Часто проявляются агрессивность и плаксивость.
• Проблемы с дыханием — одышка, остановки или, наоборот, учащение дыхания, пациент может делать большие глубокие вдохи.
• Головные боли, головокружения. На их фоне ребёнок может жаловаться на тошноту и даже страдать от приступов рвоты. При тяжелой форме часто случаются обмороки.
• Холодный пот.
• Тахикардия.
• Покраснение кожи.

Признаки отравления углекислотой при хронической форме гиперкапнии могут периодически исчезать, поначалу быть слабовыраженными. Но со временем, если причина не устранена, симптомы будут все заметнее.

Острая форма отравления углекислотой у детей

Острая форма гиперкапнии развивается стремительно и может представлять угрозу жизни ребёнка или же иметь серьезные последствия для его здоровья. Главными причинами такого отравления являются непосредственное вдыхание углекислоты, а также дыхательная недостаточность. Последняя возникает на фоне болезней легких и бронхов, например при бронхоспазме или приступе астмы.

Дети более подвержены серьезным нарушениям дыхания по нескольким причинам:

• Узкие дыхательные пути, которые легко перекрываются даже при незначительном отеке.
• Недоразвитость мышц, участвующих в процессе дыхания.
• Незрелость дыхательного центра в головном мозге. Исследования показывают, что у новорожденных и малышей первых лет жизни чувствительность клеток дыхательного центра к уровню СО2 в крови понижена.

Признаки отравления острой формы:

• Сильное учащенное дыхание, часто с хрипами, проблемным вдохом.
• Покраснение кожи.
• Спутанность сознания, возможны обмороки.
• Сильное головокружение, вызывающее тошноту.
• Повышение артериального давления и учащение пульса.

Гиперкапния может быть одним из предвестников респираторной комы, поэтому ребёнку с симптомами острой нехватки кислорода требуется неотложная медицинская помощь. В тяжелых случаях для восстановления функции дыхания может потребоваться аппарат искусственной вентиляции легких.

До приезда скорой ребёнку с отравлением СО2 нужно оказать такую помощь:

• Положить ровно, так чтобы легкие не сдавливались. Снять сковывающую облегающую одежду.
• Обеспечить доступ кислорода — открыть окно в комнате, вынести ребёнка на свежий воздух.

Эпилепсия, задержка развития и другое

Гиперкапния, пережитая в детском возрасте, может сказаться на общем состоянии здоровья. Особенно опасна гипоксия новорожденного во время родов, поскольку это приводит к нарушению работы головного мозга и центральной нервной системы. Осложнениями могут стать детский церебральный паралич и эпилепсия.

Гиперкапния в старшем возрасте сказывается на умственном и психомоторном развитии. Хроническое отравление СО2 приводит к тому, что ребёнку сложно усваивать новую информацию, он апатичен и со временем заметно отстает в развитии от своих сверстников. К тому же перемены настроения, апатичность, вялость сказываются на социализации малыша.

Острая форма может привести к повреждению головного мозга, что скажется на когнитивных способностях ребёнка. Также сильное отравление углекислотой приводит к поражению центральной нервной системы и после проявляется судорогами и другими нарушениями.

Профилактика отравления углекислотой у детей

Проще всего устранить экзогенные причины гиперкапнии. Чтобы снизить риск отравления углекислым газом, нужно:

• Регулярно проветривать помещение, в котором находится ребёнок. При теплой погоде на ночь лучше оставлять окно открытым.
• Часто бывать на улице, выбирать для прогулок парки, лес, выезды за город.
• Отказаться от курения в помещении, где находятся дети.

Чтобы минимизировать влияние эндогенных факторов развития гиперкапнии, ребёнок должен пройти полноценное обследование. После точного установления причины врач назначит необходимое лечение. Например, при кифозе поможет дыхательная гимнастика, ЛФК, использование специальных корсетов.

Чтобы не допустить бронхоспазм при ОРВИ, важно следить за параметрами воздуха в комнате, где находится ребёнок. Для этого помещение нужно часто проветривать, делать ежедневную влажную уборку без применения бытовой химии, а также использовать увлажнитель. Оптимальные параметры воздуха следующие:

• Температура — 18-25 градусов Цельсия.
• Влажность — 40-60%.

Реакция дыхания на гиперкапнический стимул в антиортостатическом положении Донина Ж.А., Александрова Н.П. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова 2010 Т. 96 №11