Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема обеспечения жизни человека в гермообъектах наземного базирования, обитаемых космических комплексов, подводных аппаратов и глубоководных водолазных комплексов в настоящее время остается предметом тщательных научных исследований. От ее решения зависит успех дальнейшего освоения мирового океана и космического пространства в целях их практического использования.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в экстремальных условиях гермообъекта, прежде всего, требуется обеспечить поступление в газовую среду кислорода. В пределах гермообъектов кислород не производится, а необходимое его количество либо запасается, либо поступает извне. Для гермообъектов необходимы надежные специальные устройства генерирования кислорода. Генераторы кислорода необходимы и в таких сферах деятельности как практическая медицина, пожарное дело, высотная авиация.
Основным методом промышленного получения кислорода является криогенная ректификация из атмосферного воздуха. В ГОСТ 5583-78 «Кислород газообразный технический и медицинский» оговорено применение полученного таким методом кислорода для дыхания и в медицинских целях. Однако его использование в гермообъектах имеет определенное ограничение. Недостатками всех кислородных блоков систем жизнеобеспечения с использованием запасов кислорода в чистом виде (в баллонах высокого давления или в виде жидкого кислорода) являются сложность технической реализации и высокие требования к подготовке обслуживающего персонала вследствие высокой взрыво- и пожароопасности. Для применения в медицине баллонный кислород мало доступен в очагах природных катастроф и военных конфликтов, в отдаленных районах.
В настоящее время известно множество способов получения О2 из кислородосодержащих веществ, которые могут применяться в СЖО гермообъектов. К таким веществам относятся надперекиси и перхлораты щелочных металлов, перекись водорода, вода (Гришаенков Б.Г.,1964-1975; Морозов Г.И.,1977; Серебряков В.Н.,1983; Козярин И.П. и др.,1980 и 1991; Гузенберг А.С., 1994).
Все большее применение получает метод получения кислорода из твердых кислородсодержащих соединений (ТКС). ТКС на основе перхлоратов щелочных металлов успешно использовались на орбитальной станции "Мир" (Нефедов Ю.Г., Адамович Б.А.,1988; Смирнов И.А., 1995, 1998) и применяются в настоящее время на МКС. Однако качество О2, полученного из ТКС существующего состава, уже не отвечает современным санитарно-гигиеническим требованиям и такой кислород не имеет разрешения на использование его в качестве кислорода медицинского.
Перспективным и быстро развивающимся методом является также концентрирование кислорода из воздуха на молекулярных ситах (цеолитах) путем короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА). Однако адсорбция кислорода на цеолитах сопровождается концентрированием и такого компонента воздуха как аргон. Это обстоятельство требует подробного изучения качества действия на организм адсорбционного кислорода.
Кислород, как сильный окислитель, является источником повышенной пожаро- и взрывоопасности. Безопасность любого гермообъекта (подводные обитаемые аппараты, подземные сооружения, космические обитаемые объекты) во многом определяется вероятностью возникновения и развития пожара, а также сохранением сознательной и целенаправленной деятельности экипажа по его ликвидации.
В 1964 г. А.М.Гениным (СССР) и, независимо от него, Лембом Л.Е. в 1965 г. (Lamb L.E., США) была высказана идея целенаправленного изменения состава дыхательной газовой смеси в обитаемых космических аппаратах для профилактики развития астенизации во время длительных космических полетов. Физиологические сдвиги, возникающие в процессе адаптации к умеренным степеням гипоксической гипоксии должны препятствовать проявлению некоторых отрицательных эффектов невесомости. С другой стороны, длительное пребывание в гипоксических средах оказывает неблагоприятное воздействие на человека, эволюционно не приспособленного к таким условиям существования.
В 1950 г. Кук (S.F.Cook, США) показал, что аргон и гелий обладают биологическим действием при нормальном барометрическом давлении. В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в последние годы было показано, что аргон обладает выраженной физиологической активностью при острой гипоксической гипоксии (Павлов Б.Н., Солдатов П.Э., Дьяченко А.И. и др., 1998-2005 гг.). Перечисленные обстоятельства открывают возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволили бы поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствовали бы выживанию в экстремальных условиях.
Рассматриваемые в работе методы обеспечения кислородом в неблагоприятных условиях искусственной среды обитания включают в себя как изучение новых способов получения кислорода, так и приемов, способствующих повышению резистентности организма к острой гипоксической гипоксии и адекватному снабжению организма кислородом.
Цель и задачи работы
Целью работы является физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения кислородом организма человека и животных в дыхательных газовых средах.
Для ее решения были поставлены следующие задачи:
провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава;
провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного короткоцикловой безнагревной адсорбцией на цеолитах;
оценить эффективность новых индивидуальных средств регенерации газовой среды гермообъектов в аварийных ситуациях вследствие отказа штатных систем газового обеспечения;
исследовать биологические эффекты инертного газа аргона в условиях гипоксической гипоксии.
Научная новизна
1. Установлено, что кислород, полученный из твердых кислородосодержащих соединений и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции, по своему воздействию на взрослый организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации.
2. Показано, что биологические эффекты воздействия на организм, находящейся в состоянии гипоксии, кислорода, полученного способом короткоцикловой безнагревной адсорбции, обусловлены изменением физико-химических свойств кислорода (изотопный состав, диффузионная способность).
3. Впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с пониженным содержанием кислорода (4-10% об.) ведет к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом.
4. Показано, что толерантность организма к гипоксической гипоксии в начальный период острого воздействия определяется особенностями его энергообмена.
Теоретическая значимость работы
1. Показано, что воздействие на организм кислорода с измененными физико-химическими свойствами ведет к проявлению биологических эффектов на уровне целостного организма.
2. Разработана концепция формирования физиологически активной пожаробезопасной дыхательной газовой среды гермообъектов с пониженным содержанием кислорода на основе инертного газа аргона.
3. Показано, что устойчивость мелких млекопитающих к гипоксической гипоксии в разные отрезки времени определяется различными факторами: в первые десятки секунд - запасами кислорода; далее, до 4-10 мин - доступными запасами глюкозы; свыше 10 мин - накоплением продуктов гликолиза и соотношением интенсивности перекисного окисления липидов и активности антиоксидантной системы.
Практическая значимость работы
1. Выполненный комплекс работ явился основанием для разработки на базе ЗАО «СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН» термохимических генераторов кислорода. Получено разрешение Минздрава России на их использование в качестве источника кислорода медицинского.
2. В экспериментах на животных и в исследованиях с участием человека разработан состав физиологически активной пожаробезопасной газовой среды с пониженным до 15% содержанием кислорода и с концентрацией аргона 50-80%. Разработанная газовая среда позволяет поддерживать работоспособность на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом. При этом не происходит горения многих распространенных материалов. В экстремальных условиях при падении уровня кислорода до 4-6% газовая среда, содержащая более 25% аргона, способствует сохранению жизни.
3. Подана заявка на патент на индивидуальный аппарат регенерации газовой среды гермообъекта по кислороду и углекислому газу «Малыш-К» (рег. № 2005136619).
Положения, выносимые на защиту
кислород, полученный из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах по своим свойствам не отличается от кислорода, полученного низкотемпературной ректификацией из воздуха, и может использоваться в медицинских целях и для дыхания;
аргон является метаболически активным газом и может послужить основой для гипоксических пожаробезопасных дыхательных газовых сред гермообъектов различного назначения.
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Российских и международных конференциях:
XXI Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, Москва, 1991 г; Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине, Москва, 1999 г; Всероссийская конференция с международным участием «Проблемы экологии человека», Архангельск, 2000 г; XXIV академические чтения по космонавтике, Москва, 2000 г; Высокие технологии оборонного комплекса. Первый международный форум, Москва, 2000 г; Российская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях, Москва, 2000 г; V International Meeting on High Pressure Biology, St. Petersburg, 1997 г; IV joint meeting of Japanese and European Seminars on High Pressure Bioscience and Biotechnology, Germany, 1998 г; The 1st inteenational cancer & aids confeeence, Seoul, 2001 г.
Материалы исследований вошли в состав работы «Разработка и внедрение средств и методов обеспечения жизнедеятельности и безопасности человека в изолированных экосистемах с измененной газовой средой», Премия Правительства РФ в области науки и техники за 2003 год (руководитель работы академик Григорьев А.И.).
По материалам диссертации опубликованы 32 работы в открытой печати. Диссертация апробирована на расширенном заседании секции ученого совета «Экологическая медицина и барофизиология» ГНЦ РФ - ИМБП РАН 11.03.2005 г.
Структура и объем диссертации
