Okienko tlenowe to zagadnienie, które jest znane nurkom. Mam jednak wrażenie, że mamy problem ze zrozumieniem jaka jest istota tego zjawiska i jakie niesie ze sobą konsekwencje lub potencjalne możliwości. Być może problem tkwi w specyfice literatury na ten temat, zauważyłem bowiem, że w zasadzie dostępne materiały można podzielić na dwie grupy: bardzo ścisłe i naukowe opracowania (np. podrozdziały w książkach o tematyce nurkowej) oraz „lekkie” teksty, niekiedy w humorystycznej oprawie, ogólnodostępne w internecie. Moim subiektywnym zdaniem wadą tych pierwszych jest ich „hermetyczność”, są to teksty dość trudne, wymagające pewnego obycia matematyczno-przyrodniczego (tak to elegancko ujmijmy). Natomiast te drugie, hmmm, dużo lepiej się je czyta, ale niekiedy zawierają zbyt daleko idące uproszczenia lub nawet błędy. Jak się zatem domyślacie ten post jest próbą zmierzenia się z wyzwaniem opisania okienka tlenowego w sposób prosty (ale nie prostacki) i nie powodujący eksplozji mózgu :P. Jak mi poszło? Przekonacie się na końcu. Zapraszam do lektury.

Zacznijmy od pewnego uporządkowania…

Śledząc drogę jaką tlen przebywa w ludzkim organizmie, możemy z dużym przybliżeniem wyróżnić pięć etapów tej podróży. Są to w kolejności (ze względu na miejsce występowania tlenu):

  1. Mieszanina oddechowa (np. powietrze, nitrox, trimix, czysty tlen)
  2. Płuca
  3. Krew tętnicza (czyli krew, która będzie transportować tlen w kierunku od płuc do tkanek)
  4. Tkanki (gdzie tlen jest pobierany z krwi do procesów metabolicznych)
  5. Krew żylna (czyli krew wracająca od strony tkanek do płuc)

Do powyższych etapów dorzućmy teraz opis jakościowo – ilościowy.

Etap 1: Załóżmy, że oddychamy najbardziej dostępną mieszaniną oddechową czyli powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym (w przybliżeniu) 1 bar. Znamy skład tej mieszaniny (21% tlenu i 79% azotu) więc możemy oszacować ciśnienia cząstkowe, które wyniosą odpowiednio: 0,21 bar dla tlenu i 0,79 bar dla azotu. Zatem gdybyśmy narysowali słupek pokazujący ciśnienia składników w/w mieszaniny to wyglądałby on mniej więcej tak:

Etap 2: Mieszanina o powyższym składzie trafia do płuc. Tam ze względu na obecność pary wodnej i dwutlenku węgla, pierwotna mieszanina zmienia swój skład. Część tlenu i azotu jest zastąpiona przez parę wodną i dwutlenek węgla, które zajmują odpowiednio: 0,06 bar i 0,05 bar. Wartości, które podałem są w przybliżeniu stałe i nie zależą od składu mieszaniny, którą oddychamy. Zatem, wykres, który narysowaliśmy sobie wyżej trzeba zmodyfikować, bo pojawiły się nowe składniki i nowe wartości ciśnień. Jak policzyć parametry do wykresu?

Mieszanina miała pierwotnie ciśnienie 1 bara. Od tego musimy odjąć wartości „zajęte” przez parę wodną i dwutlenek węgla. Mamy zatem:

1 bar – 0,06 bar – 0,05 bar = 0,89 bar

0,89 bar – tyle zostało dla azotu i tlenu. Zwiększona ilość dwutlenku węgla pochodzącego z procesów metabolicznych w tkankach powoduje, że proporcja tlenu do azotu zostaje zaburzona – tlen będzie zajmował ok. 0,14 bar, a azot pozostałe 0,75 bar. Podsumowując: w płucach skład mieszaniny oddechowej się zmienia – zwiększa się znacznie ilość dwutlenku węgla, pojawia się para wodna i maleje ilość tlenu oraz azotu. Możemy zatem narysować nowy graf, który celowo zestawię z tym, który zrobiliśmy powyżej:

Jedziemy dalej. Etap 3: W płucach (a ściśle mówiąc w pęcherzykach płucnych) dochodzi następnie do zjawiska wnikania tlenu do krwi. Dzieje się to na dwa sposoby. Po pierwsze, składnik krwi zwany hemoglobiną wiąże tlen biochemicznie. Po drugie, tlen rozpuszcza się w osoczu krwi. UWAGA: te dwa procesy odbywają się w pewnej proporcji. Tzn., przy oddychaniu mieszaninami o ciśnieniu parcjalnym tlenu zbliżonym do tego, które mamy pod ciśnieniem atmosferycznym w powietrzu lub Nitroxie (0,2 – 0,4 bar) zdecydowanie więcej tlenu jest wiązane przez hemoglobinę. Rozpuszczanie tlenu w osoczu można pominąć. Natomiast przy oddychaniu mieszaninami o ciśnieniu parcjalnym tlenu pow. 0,5 bar coraz więcej tlenu rozpuszcza się w osoczu. Hemoglobina jest po prostu w pełni nasycona tlenem i nie ma możliwości „przyjęcia” go więcej, a osocze jak najbardziej. Fajnie obrazuje to poniższy wykres:

Niebieska krzywa (tlen wiązany przez hemoglobinę) wypłaszcza się przy ok. 0,4-0,5 bar ciśnienia parcjalnego tlenu w płucach i od tego momentu wraz ze wzrostem tego ciśnienia coraz więcej tlenu wnika do osocza (czerwona krzywa), bo hemoglobina nie wiąże już żadnych dodatkowych ilości tlenu. Krzywa żółta jest sumą zawartości tlenu we krwi pochodzącą z osocza i z hemoglobiny. Ten wykres jest do zapamiętania, bo będę do niego wracał.

UWAGA, powtórzmy to jeszcze raz: tlen będzie wnikał do osocza w zauważalny sposób TYLKO w warunkach podwyższonego ciśnienia parcjalnego O2 w płucach. W „normalnych” warunkach (czyli np. podczas oddychania powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym) praktycznie całość tlenu transportowanego przez krew jest związana przez hemoglobinę. I jeszcze jedna ważna rzecz: jeśli będziemy podnosić ciśnienie parcjalne tlenu w płucach to oczywiście coraz więcej tlenu będzie wnikać do osocza krwi, ale NIGDY nie ustali się stan równowagi. Dzieje się tak dlatego, że mechanizm wnikania tlenu do osocza jest zbyt wolny aby „nadążyć” za rosnącym ciśnieniem parcjalnym tlenu. Co więcej, im wyższe będzie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach, tym wyraźniej będzie to widać. Zatem w krwi tętniczej, przy zwiększonych ciśnieniach parcjalnych tlenu (pow. około 0,5 bar) będzie zauważalny niedobór tlenu tym większy, im wyższe będzie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach (czyli de facto w mieszaninie oddechowej). Możemy zatem wrócić do naszych wykresów i narysować kolejny, uwzględniający zmiany na kolejnym etapie. Niestety, jak pamiętacie, efekt „niedoboru” widać tylko przy zwiększonym ciśnieniu parcjalnym tlenu w płucach więc wykresy przedstawione wyżej nie nadają się do zobrazowania sytuacji (bo pokazywały skład gazów przy oddychaniu powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym). Muszę założyć użycie jakiejś innej mieszaniny pod wyższym ciśnieniem i przerobić wykresy, zatem załóżmy, że tym razem oddychamy dalej pod ciśnieniem 1 bar, ale będzie to czysty tlen. Sytuacja będzie się przedstawiać następująco:

Wartości 0,06 i 0,05 bar „zajęte” w płucach przez parę wodną i dwutlenek węgla są już nam znane. Zauważmy, że na słupku obrazującym skład gazów w krwi tętniczej pojawiła się kolejna wartość 0,22 bar. Jest to właśnie ilościowa miara „niedoboru” tlenu po stronie krwi tętniczej. Będzie ona tym większa, im wyższe będzie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach. Zwróćmy uwagę, że na wykresie powyżej ciśnienie parcjalne tlenu w krwi tętniczej jest o 1/3 niższe niż w mieszaninie oddechowej, to spora różnica, a przecież jeszcze nie dotarliśmy do tkanek!

Przejdźmy zatem do kolejnego etapu, czyli do tkanek właśnie, gdzie tlen dociera wraz z krwią tętniczą. Z punktu widzenia zjawiska okienka tlenowego, w tym miejscu istotne są dwie sprawy:

  1. Tkanki w procesach przemiany materii zużywają mniej więcej stałą ilość tlenu i jest to ok. 6 ml na każde 100 ml krwi (zakładamy, że nie wykonujemy intensywnego wysiłku pod wodą).
  2. Tlen, który dotarł do tkanek pod ciśnieniem parcjalnym takim, jak w krwi tętniczej, zostanie zużyty w reakcjach przemiany materii, a produktami tych reakcji będą woda i dwutlenek węgla. Woda nie będzie się liczyć w ogólnym bilansie, zostaje więc dwutlenek węgla, który ze względu na ok. 20-krotnie większą niż tlen rozpuszczalność we krwi, będzie wywierał ok. 20-krotnie niższe ciśnienie parcjalne.

I tak, trafiamy do ostatniego etapu podróży tlenu przez organizm czyli do krwi żylnej, gdzie trafiają produkty przemiany materii. I tu proponuję rozdzielić opowieść na trzy wątki. Pierwszy z nich dotyczy oddychania mieszaninami o takim składzie i w takich warunkach, które nie powodują, iż do płuc trafia tlen pod ciśnieniem parcjalnym wyższym niż 0,2 bar (czyli jest to sytuacja kiedy oddychamy gazami zbliżonymi składem do powietrza). Wtedy sytuacja jest dość prosta i powiedzmy nieszczególnie interesująca dla nurka. Dlaczego? Ano dlatego, że w tym przypadku, do tkanek trafia tlen praktycznie w całości związany biochemicznie przez hemoglobinę. Spójrzcie na poniższy wykres i wyobraźmy sobie, że próbujemy odnaleźć związek między tym ile tlenu „zeżrą” tkanki, a tym jak to wpłynie na spadek ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi.

Apetyt tkankowy na tlen ma jak pamiętamy stałą wartość: 6 ml na każde 100 ml krwi. Powiedzieliśmy też, że oddychamy mieszaniną, która jest zbliżona składem do powietrza (ciśnienie parcjalne tlenu w płucach mniejsze od 0,2 bar). Jeśli tak, to muszę przebywać w niebieskiej strefie wykresu oznaczonej literą „A”. dlatego, że w tym zakresie właśnie, ciśnienia parcjalne tlenu w płucach wynoszą max 0,2 bar (pozioma oś wykresu). Jak widzicie strefa „A” jest dość wąska, więc jeśli tkanki zużyją 6 ml tlenu (czyli wartość na osi pionowej spadnie o 6 jednostek), to będzie to odpowiadało bardzo małemu spadkowi wartości na osi poziomej. Krótko mówiąc, jeśli transport tlenu jest zdominowany przez hemoglobinę, to konsumpcja tlenu przez tkanki i zamiana go na dwutlenek węgla i wodę spowoduje bardzo nieznaczny spadek ciśnienia parcjalnego tlenu w płucach (innymi słowy: krew żylna odprowadzi do płuc mniejszą ilość tlenu niż zawierała go krew tętnicza, bo część tlenu została skonsumowana przez tkanki w procesie przemiany materii).

Drugi wątek dotyczy sytuacji kiedy albo zmieniamy skład mieszaniny, albo zmieniają się warunki oddychania (np. rośnie ciśnienie otoczenia) i w płucach pojawia się tlen pod ciśnieniem parcjalnym wyższym niż 0,2 bar. Przechodzimy zatem do strefy „B” (żółtej). jest ona umownie zaznaczona między wartościami 0,2 a 1,0 bar, bowiem jest to zakres kiedy hemoglobina jest już praktycznie nasycona, a tlen zaczyna wiązać się z osoczem, ale w ilości niewystarczającej do pokrycia apetytu tkanek. Zatem tkanki aby się „najeść tlenem” muszą najpierw pobrać go z osocza (i robią to chętnie, bo wiązanie tlenu z osoczem jest słabsze niż z hemoglobiną), a „resztę” pobrać z hemoglobiny. Strefa „B” jest wyraźnie szersza niż strefa „A”, dlatego tutaj te same 6 ml (czyli ilość tlenu, która zostanie zużyta przez tkanki) będzie skutkowało dużo większym spadkiem ciśnienia parcjalnego tlenu w płucach. Warto zauważyć, że przy ciśnieniu parcjalnym tlenu 1 bar, zawartość tlenu we krwi wynosi ok. 22,5 ml (żółta krzywa), zatem jeśli tkanki „zjedzą” 6 ml tlenu, to spadniemy na wykresie (żółta krzywa przechodzi w niebieską) do wartości 16,5 ml, a to już jest strefa „A”. Ale to tylko potwierdza powyższe stwierdzenie, że tkanki będą korzystać z tlenu dostarczonego przez osocze i hemoglobinę. Spadek ilości tlenu we krwi na skutek zużycia go w tkankach z wartości 22,5 ml do 16,5 ml będzie skutkował spadkiem ciśnienia parcjalnego tlenu w płucach aż o około 0,85 bar (przyjmijmy wg wykresu, że wartości 22,5 ml odpowiada wartośc 1 bar, a wartości 16,5 ml około 0,15 bar).

Trzeci i ostatni wątek, to strefa „C”. W tej strefie, umownie zaznaczonej pomiędzy wartościami 1 i 3 bar na osi wskazującej ciśnienie parcjalne tlenu w płucach, ilość tlenu dostarczana do tkanek z osocza zaczyna przewyższać ilość dostarczaną z hemoglobiny. W skrajnym przypadku (dla wartości ciśnień parcjalnych O2 bliskich 3 bar), cały tlen jest dostarczany do tkanek z osocza. W takim wypadku, konsumpcja 6 ml tlenu przez tkanki będzie oznaczała spadek ciśnienia parcjalnego w płucach o prawie 2,4 bar (czyli „zjedziemy” po żółtej krzywej z prawej strony wykresu na lewą – praktycznie przez całą długość osi poziomej). Jest to maksymalna wartość jaką może osiągnąć spadek ciśnienia parcjalnego tlenu w płucach i dlatego rysowanie powyższego wykresu powyżej 3 bar nie ma większego sensu. Poza tym pamiętajmy, że powyżej ciśnień parcjalnych rzędu 1,6 bar, tlen ma właściwości toksyczne i to jest bardzo istotnym ograniczeniem fizjologicznym (oddychanie tlenem o ciśnieniu parcjalnym rzędu 2,5-3 bar odbywa się tylko w specjalnych warunkach i pod ścisłym nadzorem – np. podczas rekompresji leczniczych w komorach hiperbarycznych).

CZAS NA WIELKIE PODSUMOWANIE

OK, zatem zbierzmy wszystkie informacje do tzw. kupy i wyciągnijmy jakieś ogólne wnioski.

  1. W każdym organizmie występuje fizjologicznie uwarunkowana różnica pomiędzy ciśnieniem parcjalnym tlenu w mieszaninie oddechowej, płucach, krwi tętniczej i krwi żylnej. Wartości tych ciśnień będą różne w zależności od składu mieszaniny i ciśnienia otoczenia, ale tendencja jest zawsze identyczna: im dalszy etap, tym mniejsze ciśnienie parcjalne tlenu. Jeśli porównamy wartości ciśnienia w dwóch skrajnych etapach, czyli w mieszaninie oddechowej i krwi żylnej (czyli porównujemy ze sobą jak gdyby początek i koniec drogi tlenu przez organizm) to różnica między nimi będzie wskazywać o ile spadło ciśnienie parcjalne tlenu ze względu na:
    • zastąpienie tlenu przez parę wodną i dwutlenek węgla w płucach (na początku drogi) – pamiętamy etap 2!
    • zbyt wolny proces transportu tlenu z płuc do krwi tętniczej (obserwowany na etapie 3)
    • konsumpcję tlenu w procesie przemiany materii w tkankach i zastąpienie go produktami tej przemiany czyli wodą i dwutlenkiem węgla (etap 4 i 5)
  2. Różnica w wartościach ciśnienia parcjalnego tlenu w mieszaninie oddechowej i krwi żylnej NAZYWA SIĘ OKIENKIEM TLENOWYM (TADAM!!!). Okienko tlenowe jest tym większe im wyższe ciśnienie parcjalne tlenu „na wejściu” – czyli w mieszaninie oddechowej. Innymi słowy: jeśli ciśnienie parcjalne tlenu pomiędzy mieszaniną oddechową a krwią żylną spadło o dużą wartość to okienko tlenowe jest duże, jeśli spadek ciśnienia jest niewielki to analogicznie rozmiar okienka tlenowego jest mały.
  3. Minimalna wartość okienka tlenowego to ok. 0,07 bar i występuje przy oddychaniu powietrzem atmosferycznym na powierzchni. Maksymalna wartość okienka tlenowego wynosi ok. 2,4 bar i występuje przy ciśnieniach parcjalnych tlenu w płucach ok. 3 bar.
A JAKIE SĄ UŻYTECZNE KONSEKWENCJE WYSTĘPOWANIA OKIENKA TLENOWEGO DLA NURKA?

Po pierwsze, wiedząc, że konsumpcja tlenu przez tkanki jest na mniej więcej stałym poziomie, cwany nurek szybko wyczai, że rozmiar okienka tlenowego będzie można powiększać poprzez zwiększanie ciśnienia parcjalnego tlenu w mieszaninie oddechowej. Jest to bardzo ważna kwestia, bo okazuje się, że okienko tlenowe (czyli powiedzmy „puste miejsce po tlenie”) może być wypełnione innym gazem! To oznacza, że jeśli np. okienko tlenowe w danych warunkach ma wartość 1 bar, to krew żylna jest w stanie przyjąć dodatkowy 1 bar gazów obojętnych (jeśli okienko ma wartość 1,2 bar to krew może „pomieścić” dodatkowe 1,2 bar gazów obojętnych itp.). Jest to doskonała wiadomość dla nurków, bo oznacza, że okienko tlenowe bardzo pomaga w oczyszczaniu organizmu z gazów obojętnych użytych w mieszaninach oddechowych (czyli azotu lub helu). Czyli intuicyjnie wyczuwamy już, że np. ciśnienie parcjalne tlenu w mieszaninach dekompresyjnych powinno być dobierane tak, aby było jak największe na najgłębszym przystanku dekompresyjnym (oczywiście z zachowaniem reguł dotyczących MOD-u). Co więcej, jeśli np. planujemy skład mieszaniny dennej to również powinniśmy zastanowić się czy nie warto wybrać takiej, której skład będzie umożliwiał osiągnięcie jak najwyższej wartości ciśnienia parcjalnego tlenu na głębokości operacyjnej (uwaga na MOD!) właśnie z tego samego powodu.

Uwaga, powyższy akapit nie uwzględnia efektu toksyczności tlenowej, która może być śmiertelnie niebezpieczna, zatem planując skład mieszanin dennych i dekompresyjnych ZAWSZE (oprócz optymalizacji okienka tlenowego) musimy ostatecznie sprawdzić całkowitą wartość „wchłoniętych” jednostek toksyczności tlenowej mózgowej (OTU) i płucnej (UPDT) tak, aby nie przekroczyć dozwolonych limitów!

(RK)

Literatura:

  1. Mark Powell „Deco for divers”, Aquapress, 2014
  2. Paweł Poręba „Nurkowanie techniczne”, Bel studio, 2010
  3. http://dansa.org/blog/2015/11/10/the-oxygen-window
  4. Michał Winek, „Strategie dekompresyjne” – skrypt do kursów TDI
  5. Notatki własne