Oddychanie w zmiennych warunkach, 

lotnictwo, duże 

wysokości, przestrzeń kosmiczna, 

przyspieszenia

                                  

Dariusz Nowak

               

Zakład Fizjologii Klinicznej UM Lodz

 

 

Oddychanie w zmiennych warunkach, lotnictwo, 

duże wysokości, przestrzeń kosmiczna, 

przyspieszenia

• Osiągamy coraz wyższe wysokości – lotnictwo, 

wspinaczki wysokogórskie, pojazdy kosmiczne – 
trzeba znać wpływ niskich ciśnień gazu, 
przyspieszeń na organizm człowieka

• Ciśnienie atmosferyczne na różnych wysokościach
• Poziom morza – 760 mmHg (pO2 159 mm Hg) 
• 10 000 stóp (stopa to 30.48 cm) - 523 mm Hg 

(pO2≈ 21% p atm.)

• 50 000 stóp     87 mm Hg  (pO2 = 18 mm Hg)

 

 

 

 

Ciśnienie (pO2) w powietrzu pęcherzykowym 

na różnych wysokościach

• CO2 i para wodna obniżają pAO2 (ciśnienie w 

pęcherzykach)

• CO2 jest cały czas wydychany a H2O paruje do 

wydychanego powietrza pęcherzykowego i obniża 
pAO2

• Ciśnienie pary H2O = 47 mmHg (nie zależy od 

wysokości a tylko od temperatury ciała)

• PACO2 spada na dużych wysokościach  bo rośnie 

wentylacja. – osoba zaaklimatyzowana która 
zwiększa swoją wentylację 5 X ,PACO2 spada do 7 
mmHg (normalnie jest 40 mmHg) – z powodu 
zwiększonej wentylacji

 

 

Ciśnienie (pO2) w powietrzu pęcherzykowym 

na różnych wysokościach

• Jesteśmy na czubku Mount Everest (29028 stóp 

npm) – p atm = 253 mmHg

• Z tego 47 mmHg jest na parę wodną, 7 mm Hg 

na CO2 – to pozostawia 199 mmHg na pozostałe 

gazy (N2 i O2)

•  4/5 tego ciśnienia na N2 a 1/5 na O2 czyli PAO2 

≈ 40 mmHg

• ponieważ część O2 cały czas dyfunduje do krwi 

ustala się PAO2 równowagi około 35 mmHg

• W tych warunkach tylko najlepiej 

zaaklimatyzowani ludzie mogą przeżyć 

oddychając powietrzem

 

 

PAO2 i wysycenie hemoglobiny tlenem na różnych 

wysokościach - wpływ aklimatyzacji( np. 

zwiększonej wentylacji pęcherzykowej)

 

 

PAO2 i wysycenie hemoglobiny tlenem na 

różnych wysokościach - wpływ oddychania 

czystym tlenem

• Kiedy oddychamy czystym O2 większość 

objętości pęcherzyków która była zajęta przez 
N2 jest teraz zajęta przez O2

•  Na wysokości 30 000 stóp gdy oddychamy 

czystym O2 – PAO2 jest 139 mmHg a gdy 
powietrzem to = 18 mmHg

• Samolot z nie-hermetyczną kabiną – można 

zwiększyć pułap lotu gdy pilot oddycha 
czystym tlenem – dla powietrza granica – 23 
000 stop, dla czystego O2 – 47 000 stóp (w 
obu przypadkach sat Hb będzie około 50% (to 
jest maksymalny szybki spadek saturacji jaki 
człowiek „toleruje”) 

 

 

Ostre następstwa hipoksji

Osoba nie-zaaklimatyzowana oddycha powietrzem- 

objawy zaczynają się już na wysokości 12 000 stóp

Senność, znużenie, zmęczenie psychiczne, zmęczenie 

mięśni , czasami ból głowy, nudności, euforia

Leci wyżej (do 18 000 stóp) – progresja – stadium 

pod-denerwowania, ataku

Leci jeszcze wyżej – objawy znikają ale przy wysokości 

23 000 stóp – zapada w śpiączkę – po tym szybko 
zgon.

Hipoksja obniża sprawność umysłową
Nie zaaklimatyzowany lotnik:
15 000 stóp, po 1 h – sprawność spada o 50%
15 000 stóp, po 18 h – spada o 80% 

 

 

 

 

Adaptacja do niskiego PO2

• Trwa dni, tygodnie, nawet lata – tacy ludzie mogą 

pracować ciężej na dużych wysokościach (lub wyżej 

wejść) bez objawów hipoksji.

• Główne mechanizmy adaptacji:
      1 – wzrost wentylacji płuc
      2 – wzrost liczby erytrocytów
      3 – wzrost pojemności dyfuzyjnej płuc
      4 – wzrost liczby naczyń w tkankach obwodowych
      5 – zwiększona zdolność komórek do 

wykorzystania        

            O2 mimo niskiego PO2 
     

 

 

Wzrost wentylacji płuc

• Niskie PO2 stymulacja chemoreceptorów → szybka odpowiedź, 

wzrost wentylacji o 1.65 razy. Gdy dłużej przebywa na 
wysokości (kilka dni) wentylacja rośnie  do 5 razy.

• Ostra odpowiedź na hipoksje jest hamowana przez spadek 

PCO2 i wzrost pH , to działa na ośrodek oddechowy i ogranicza 
wzrost wentylacji 

• W ciągu kilku dni spada stężenie wodorowęglanów w płynie 

mózgowo rdzeniowym i rośnie wentylacja do ok. 

   5 razy. Dlaczego ? 
     Nerki kompensują zasadowicę oddechową (redukcja wydalania 

H+ i zwiększone wydalanie HCO3-), nie ma hamowania 
stymulacji oddychania (sygnał z chemoreceptorów w wyniku 
hipoksji) 

 

 

Wzrost liczby erytrocytów i stężenia 

hemoglobiny

• Hipoksja → wzrost produkcji erytrocytów
   po kilku tygodniach :
    Hct 40-45%  rośnie do 60%
    Hgb  15g/dl rośnie do 20 g/dl
Całkowita objętość krwi też rośnie o ≈ 20-30%, co 

powoduje że całkowita zawartości hemoglobiny w 
organizmie rośnie nawet o ≥ 50%

 

 

Wzrost pojemności dyfuzyjnej płuc

• Pojemność dyfuzyjna dla O2 w normie ≈ 21 

ml/mmHg/min. W czasie wysiłku i na wysokości 
rośnie ≈ 3 razy.

• Bo rośnie ilość krwi w kapilarach → rozciągnięcie 

kapilar i wzrost powierzchni dyfuzji.

• Bo rośnie objętość powietrza w płucach i dalej ten 

sam mechanizm

• Bo rośnie ciśnienie w krążeniu płucnym i 

poprawia się perfuzja, zwłaszcza w górnych 
partiach płuc 

 

 

Wzrost liczby naczyń w tkankach

• Rzut minutowy serca rośnie o ≈ 30% po tym po 

tygodniach spada do normy równolegle ze 

wzrostem Hgb i Hct

• Wzrost liczby kapilar (angiogeneza) w obwodowych 

tkankach – widoczne zwłaszcza u osób urodzonych 

(i rosnących) na dużych wysokościach

• Kapilary – wyraźny wzrost w mięśniu prawej komory 

– bo większa prac z powodu wzrostu ciśnienia w tt 

płucnych +  efekt hipoksji

• Adaptacja komórkowa- Organizmy żyjące na 

wysokości 13000-17000 stóp mają więcej 

mitochondriów- lepsze wykorzystanie O2 na 

poziomie komórkowym 

 

 

Naturalna aklimatyzacja u ludzi urodzonych i 

żyjących na dużych wysokościach

• Himalaje, Andy Peruwiańskie ludzie żyją > 13 000 

stóp 

• Populacja ludzi w Andach ≈ 17 500 stóp a pracują na 

wysokości 19 000 stóp

• Urodzeni i żyjący na tych wysokościach są zawsze 

lepiej zaadaptowani do tych warunków niż ludzie z 
nizin nawet po 10 letnim (i >) pobycie w górach.

• Aklimatyzacja zachodzi już w życiu płodu i w 

niemowlęctwie – maja większa klatkę piersiową a cale 
ciało mniejsze – daje to większy stosunek zdolności 
do wentylacji /  masy ciała

• Większe wymiary serca, lepiej hemoglobina „działa”.

 

 

Zdolność do wykonywania wysiłku jest obniżona na 

dużych wysokościach (wysokość 17 000 stop, 

normal = zdolność na poziomie morza)

 

 

 

Ostra choroba wysokościowa i obrzęk płuc 

na dużych wysokościach

• Pewien (%) ludzi gdy szybko wejdą na duża 

wysokość – maja ostre objawy chorobowe i mogą 
umrzeć jeśli nie dostaną O2 do oddychania lub 
nie zostaną przeniesieni na niższą wysokość

• Objawy zaczynają się po kilku h – do 2 dni po 

osiągnięciu wysokości, najczęściej są dwie postaci

    1. ostry obrzęk mózgu (lokalne rozszerzenie 

naczyń z powodu hipoksji)

    2. ostry obrzęk płuc – nie wiadomo dlaczego 

(skurcz naczyń a przez inne duży przepływ i 
lokalny obrzęk ?) 

 

 

Przewlekła choroba wysokogórska

• Czasami u osób które za długo przebywają na 

dużej wysokości rozwija się choroba wysokogórska 

(chronic mountain sickness) – następujące 

odchylenia/objawy:

    1. masa erytrocytów i Hct są wyjątkowo wysokie
    2. nadmierny wzrost ciśnienia w tętnicy płucnej
    3. duże powiększenie prawej komory
    4. spada ciśnienie tętnicze na obwodzie
    5. rozwija się niewydolność serca
    6. zgon często występuje jeżeli osoba nie będzie 

przeniesiona niżej (wtedy poprawa w ciągu kilku 

dni-tygodni)    

 

 

Przewlekła choroba wysokogórska

• Patomechanizm:
    1. wielokrotny wzrost lepkości krwi → b. duże 

opory przepływu → spada przepływ przez tkanki i 
spada dostawa O2 do tkanek

    2. Skurcz hipoksemiczny tt. płucnych → wzrost 

oporu i wzrost ciśnienie w krążeniu płucnym → 
niewydolność prawej komory

    3. hipoksja obejmuje wszystkie pęcherzyki → 

uogólniony skurcz tętniczek płucnych → wzrost 
oporu → wzrasta przepływ krwi przez naczynia 
oskrzelowe → narasta przeciek żylny   

 

 

Przeciążenia 

• Przyspieszenie i  opóźnienie liniowe
• Ruch po okręgu  a= V

2

/r = ω

2

 x r

• F = M x a
• Wyrażenie przyspieszenia jako wielokrotność G : 

np. + 2G, +5G , -3G , -7G

    wpływ sił odśrodkowych na organizm – najbardziej 

wrażliwy układ krążenia bo krew się przemieszcza

 lotnik poddany np. +3G – krew przemieszcza się do 

najniższych części ciała.

Np. +5G – pozycja stojąca – ciśnienie w żyłach stóp 

450 mmHg, gdy siedzi to – 300 mmHg

 

 

Przeciążenia

• Naczynia w sposób bierny rozciągają się i krew z 

górnych części ciała przemieszcza się do dolnych 

naczyń

• Serce nie może dobrze pompować krwi bo ona nie 

wraca do prawego przedsionka – spada rzut serca

• Poddany a = +3.3 G – spada RR a później wzrost 

na skutek działania baroreceptorów

• a = +4G - +6G = „czarna zasłona przed oczami” 

w czasie kilku sekund a później utrata 

przytomności a później śmierć

• Pozycja siedząca, a≥ +20G ułamek sekundy – 

złamanie kręgosłupa

 

 

Changes in systolic (top of curve) and diastolic 

(bottom of curve) arterial pressures after abrupt and 

continuing exposure of a sitting person to an 

acceleratory force from top to bottom of 3.3. G.

 

 

Przeciążenia

• Ujemne G – zewnętrzna pętla samolotu – a = -4G 

do -5G bez uszkodzenia ale okresowo duże 

przekrwienie głowy, zaburzenia psychiczne 

trwające 15-20 min (jako wynik obrzęku mózgu)

• Czasami a jest tak duże np. (-20G) , ze ciśnienie 

krwi w głowie osiąga 300-400 mmHg, czasami 

powoduje to pękanie drobnych naczyń na 

powierzchni głowy i w mózgu

• Naczynia w mózgu znacznie rzadziej pękają niż te 

na powierzchni głowy. Dlaczego ? – rola płynu 

mózgowo rdzeniowego

• Przekrwienie oczu- nie widzi – widzi „czerwoną 

zasłonę”

 

 

Przeciążenia

• Jak się zabezpieczyć przed przeciążeniami 

(dodatnimi) ?

• Lotnik napina swoje mięsnie brzucha jak 

najmocniej i pochyla się by ucisnąć brzuch → 

zapobiega to przemieszczeniu się krwi do dużych 

naczyń jamy brzusznej z głowy  - opóźnia to 

pojawienie się „czarnej zasłony” przed oczami 

• Specjalne kombinezony w których rośnie ciśnienie 

działające na nogi i brzuch gdy rośnie +a.

• Teoretycznie najlepiej by miał gdyby był zanurzony 

w wodzie – ale i w tym przypadku odporność na 

„+a” ogranicza obecność powietrza w płucach – z 

tego powody graniczne a < +10G.

 

 

Przeciążenia liniowe

• W odróżnieniu od samolotu statek kosmiczny nie skręca 

gwałtownie

• Przyspieszenia związane ze startem (odpaleniem) rakiety i 

lądowaniem (opóźnienia)

• 3-stopniowa rakieta: odpalenie I silnika a = 9G, II silnika (II 

człon rakiety) – a = 8G 

• W pozycji stojącej kosmonauta nie wytrzyma tych 

przeciążeń ! – musi być w pozycji półleżącej – poprzecznej 
do osi przyspieszenia 

• Lądowanie przy prędkości 1 Mach – 0.12 mili potrzebne na 

bezpieczne wyhamowanie, przy 100 Mach (przypuszczalna 
prędkość w lotach międzyplanetarnych) – potrzebny 
dystans 10 000 mil. 

 

 

Acceleratory forces during takeoff of a 

spacecraft.

 

 

Opóźnienia przy skokach spadochronowych

• Wyskakujemy z samolotu – po ≈ 12 s  F oporu 

powietrza = Fg – skoczek osiąga prędkość końcową 
opadania  – 109-119 mil/h  

• Wtedy F związane z otwarciem spadochronu F ≈ 

1200 funtów (na linki spadochronu) i spadochron 
zwalnia prędkość opadania ≈ 9 razy

• Siła uderzenia o ziemię jest mniejsza ≈ 81 razy niż 

bez spadochronu (odpowiada to skokowi z wysokości 
6 stóp)

• Trzeba lądować ze zgiętymi nogami w kolanach i 

mięśniami napiętymi by zamortyzować siły związane 
z opóźnieniem  (nie na proste nogi)

 

 

Atmosfera w statku kosmicznym

• Ma być na tyle dużo O2 i na tyle mało CO2 by kosmonauci 

się nie udusili

• Wczesne misje kosmiczne (Apollo) -  atmosferą był czysty 

O2 ale pod ciśnieniem ok. 260mmHg

• Obecnie w wahadłowcach atmosfera zbliżona do ziemskiej: 

całkowite ciśnienie 760 mmHg, N2/O2 = 4/1. Obecność N2 

zmniejsza ryzyko wybuchu i pożaru.

• Taka atmosfera zapobiega również powstawaniu lokalnych 

obszarów (płytek) niedodmy w płucach, które mogą   

wystąpić przy oddychaniu czystym O2 gdy jest on szybko 

absorbowany przy jednoczesnym okresowym zablokowaniu 

drobnych oskrzeli przez wydzielinę

• Loty trwające kilka miesięcy i dłużej – odzyskiwanie O2 – 

elektroliza z H2O i/lub poprzez fotosyntezę (np. algi , 

chlorofil) z CO2) 

 

 

Nieważkość

• Kiedy ? - Satelita (statek kosmiczny) krążący na orbicie, 

statek poruszający się w kosmosie bez własnego napędu. W 
samolocie też można uzyskać kontrolowaną nieważkość – tak 
ćwiczą kosmonauci

• Oddziaływanie (efekty fizjologiczne) bez znaczenia gdy stan 

nieważkości trwa krótko

• Problemy związane z nieważkością:
       1) Choroba lokomocyjna
       2) przemieszczenie płynów w obrębie ciała z powodu          
           braku grawitacji (powoduje właściwe ciśnienie 
           hydrostatyczne)
       3) Obniżenie aktywności fizycznej – bo nie potrzeba siły     
           mięśniowej do przeciwstawiania się grawitacji 

 

 

Nieważkość

• Prawie 50% astronautów ma nudności (czasem 

wymioty) w ciągu pierwszych 2-3 dni podróży 

kosmicznej – „dziwne” sygnały do narządu 

równowagi w mózgu i brak sygnałów związanych z 

grawitacją

• Zmniejsza się: objętość krwi, masa erytrocytów, 

siła mięśniowa, zdolność mięsni do wykonywania 

pracy, maksymalny rzut minutowy serca, masa 

kości (odwapnienie, ↓ Ca i fosforanów).

• Większość tych efektów wystąpi też u osoby długo 

leżącej w łóżku

• W ciągu długiej misji kosmicznej – niezbędny jest 

zapobiegawczy program ćwiczeń gimnastycznych

 

 

Nieważkość

• We wcześniejszych misjach gdy program  ćwiczeń 

profilaktycznych nie był zbyt intensywny to po 
lądowaniu na Ziemię: duże upośledzenie zdolności 
do wysiłku, częste omdlenia (nawet z utratą 
przytomności) – bo ↓ V krwi i ↓ wrażliwości i 
funkcji ośrodków kontrolujących ciśnienie tętnicze 
krwi. 

• Badanie kosmonautów po misjach trwających kilka 

miesięcy (nieważkości) – ćwiczenia profilaktyczne 
nie zapobiegają „dekondycji” układu sercowo-
naczyniowego, mięśni szkieletowych i kości !

 

 

Nieważkość trwająca miesiące

• Miesięczne spadki masy kości o 1% mimo ćwiczeń
• Znaczna atrofia mięśnia sercowego i szkieletowych 

(obniżenie zdolności do wysiłku)

• Upośledzone odruchy z baroreceptorów – obniżona 

tolerancja „ortostatyczna”

• Obniżona objętość krwi
• Po powrocie maja problemy z utrzymaniem pionowej pozycji 

ciała i dzienną aktywnością na poziomie jak przed lotem

• Zwiększone ryzyko złamań kości
• Aklimatyzacja po powrocie do ziemskich warunków trwa 

kilka tygodni i osiąga aktywność fizyczną jak przed startem

 

 

Nieważkość trwająca miesiące, lata

• Wyprawa na Marsa – problem długotrwałej 

nieważkości nie mniej ważny od problemu 
zbudowania odpowiedniej rakiety

• Będą bardzo słabi po lądowaniu na Marsie czy na 

Ziemi,  problem awaryjnego lądowania

• Proponowane rozwiązanie – na statku – wirówka z 

kapsułą do której wchodzi kosmonauta – 
ekspozycja na 2G-3G przez 1h dziennie 

•