S rozvojem letadel, balónového létání a posléze kosmických letů, s rozvojem lodní dopravy, díky vzrůstu obliby extrémních sportů se objevila možnost ať již chtěného, či nechtěného pobytu lidí v prostorách se sníženou, respektive téměř nulovou atmosférou, v místech s vyšším tlakem a v prostředích se změněným složením atmosféry. Proto se tato oblast stala mimo jiné předmětem výzkumu různých týmů vědců a oblíbeným životním prostorem pro vyznavače extrémních sportů.
Žádný živý organizmus který známe nemůže trvale žít a rozvíjet se v prostředí vakua kosmického prostoru. Jsou sice známy případy jednoduchých organizmů, které přežily relativně dlouhý čas v kosmickém prostoru, ale pro složitější organizmy je tento stav natolik devastující, že již krátkodobý pobyt ve vakuu je pro ně nevratně smrtelný. Rychlé snížení tlaku působí na organizmus několika způsoby. Jednak mechanicky dochází ke změnám objemu plynů a jejich rozpínání a následnému protržení příslušných orgánů, pokud nemůže plyn dostatečně rychle uniknout, jednak ke snížení rozpustnosti plynů v kapalinách způsobí vytvoření bublinek plynu v místech, kde je to pro organismus devastující až smrtelné (mozek, krevní řečiště - kesonová nemoc). Další snižování tlaku způsobuje snižování bodu varu kapalin a jejich rychlé vypařování, respektive sublimaci pevných látek. Spolu s odpařováním pak může docházet následně k rychlé ztrátě teploty.
Nižší organizmy mohou v podtlaku po určitou, omezenou dobu žít. Ovšem jen do té doby, než dojde k odpaření kapalin. Savci přežívají ve tlaku 3100 Pa (cca 3% běžného tlaku) nejdéle dvě minuty, žáby přibližně 6 minut a bakterie déle než pět hodin. Jsou ale známy pokusy, při kterých vyklíčily a rostly rostliny i při tlaku 1000 Pa (cca 1% běžného tlaku). Přežití jednobuněčných organizmů ve vakuu je možné i poměrně dlouhou dobu, ovšem nikoliv v aktivním stavu, ale spíše v jakémsi zakonzervování, kdy změna podmínek v příznivější způsobí jejich revitalizaci. Ukázalo se, že nedostatečná sterilizace sond vysílaných jiným vesmírným tělesům může být zdrojem jejich kontaminace „pozemským životem“. Viz: Na Marsu je asi život.
Chorobné projevy, které jsou způsobeny mechanickými změnami tlaku plynu se nazývají dysbarismus. Poranění takto způsobené se nazývá barotrauma.
Typickým případem prudké dekomprese je prasknutí kabiny letadla ve velkých výškách. Ikdyž si nikdo z nás takovou situaci nepřeje zažít, s rozvojem letecké dopravy není pravděpodobnost zažití takové situace až tak iracionální, jak bychom si přáli. V počátku po dekompresi stoupne prudce nitrohrudní tlak (proti okolí) a dojde k efektu dlouhého výdechu. V tomto okamžiku se doporučuje postiženým neklást unikajícímu vzduchu odpor. Je-li totiž přetlak příliš velký, nebo dojde-li ke ztížení úniku plynů z plic třeba polknutím nebo zakašláním, může nastat jejich roztržení. Souběžně se začnou rozpínat plyny uzavřené ve střevních dutinách. Podle svědků podobných havárií se dá tento pocit přirovnat k ráně prknem do břicha. Poté nastává kolaps. Tep se zpomalí, bývá slabý a nitkovitý, na čele vystoupí studený pot, kůže zbledne a postižený ztratí vědomí. Od výšky 15000 metrů je kyslíku ve vzduchu již tak málo, že se při dýchání směr jeho proudění obrátí a O2 z těla uniká. Ke ztrátě vědomí dojde cca do 15 vteřin. Tato výška se z tohoto důvodu označuje jako fyziologická nula. Zadržení dechu po dlouhém výdechu může pomoci prodloužit dobu před ztrátou vědomí až na cca 30 vteřin. Samozřejmě trénovaní jedinci mají větší šance. Dýchání ve velkých výškách a při velmi sníženém tlaku je možné a účinné, ale jen dočasně a jen tehdy, podává-li se kyslík pod vyšším tlakem, než je v okolí. Pokud je doplněno i o speciální tlakový oděv, je možné takto přežít a dokonce efektivně pracovat po poměrně dlouhý čas. Přetlakové dýchání zatěžuje plicní ventilaci a krevní oběh a nesmí stlačit plicní kapiláry natolik, aby jimi nemohla proudit krev. V případě dopravního letadla dojde při dekompresi kabiny k automatické aktivaci kyslíkových masek. Vzhledem k poměrně rychlé ztrátě vědomí se doporučuje nasadit masku nejprve sobě a až následně pomáhat okolí či dětem. Při pobytu v nízkém tlaku na periferní kůži bez ochrany dojde k zástavě krevního oběhu a vytvoří se rozsáhlé otoky. Postižený cítí brnění a pocit tlaku v končetinách. Nakonec, je-li tato expozice bez ochrany delší, dojde k celkovému selhání krevního oběhu. To se objeví náhle, je provázeno závratí, tmou před očima a ztrátou vědomí.
Zvláštní případy dysbarismu tvoří poškození organizmu při náhlém zvýšení tlaku v okolí výbuchu. Nejvíce při tom bývají poškozeny plíce a přirozeně ušní bubínky. Tlaková vlna šířící se po těle různě interferuje a vznikají mnohočetná krvácení a zranění. Jsou známy případy, kdy po explozi, byl jedinec ač nezasažený úlomky, přesto usmrcen pouze tlakovou vlnou. K mechanickému poškození může dojít také třeba při násilném vniknutí vzduchu do úst, například při atomovém výbuchu či opuštění letadla ve vysoké rychlosti. Popisuje se případ pilota letadla, který se katapultoval při nadzvukové rychlosti. Po dopadu na hladinu se mu nenaplnila záchranná vesta a protože ztratil vědomí, nepokoušel se ani o plavání. Přesto přežil, protože při katapultáži mu ústy do žaludku proniklo velké množství vzduchu, který ho nafouknul a pak následně udržel na hladině. (Takže pozor, při vyskakování z letadel letících rychleji než zvuk. Ostatně, co si budeme povídat, i při běžném parašutistickém seskoku není vhodné mluvit. A to platí nejen pro tu upovídanější polovinu lidstva.)
Nedá mi to, abych nepřipomněl v této souvislosti nejdelší volný pád v historii lidstva. Rekord v nejdelším volném pádu a následném letu na padáku z největší výšky drží již od roku 1960 vojenský zkušební pilot Joseph Kittinger. Ve speciálně upraveném balónu plněném héliem tenkrát vystoupal do výšky 31 332 metrů. Již několik týdnů před vlastním seskokem podstoupil speciální dietu, která měla za úkol minimalizovat případné množství plynů v jeho střevech a tělních dutinách. Jeho seskok z výšky, kde se pohybují pouze speciální letouny a kde teplota klesá na - 72 stupňů Celsia trval téměř 14 minut. Samotný volný pád trval čtyři minuty a 36 sekund. Kittinger při něm dosáhl rychlosti 988 km/h.
Vinou netěsnosti rukavice mu cestou dolů omrzla ruka, ale celý experiment přežil bez dalších problémů. V současnosti se tento rekord snaží překonat francouz Michel Fournier, který pro rok 2007 ve svých 63 letech plánoval seskok ze stratosféry respektive z výšky 40 km nad Kanadou, ale byl nucen tento pokus o rok odložit. Předešlý pokus v minulém roce ztroskotal na nepochopení francouzských úřadů. Pokud vše bude probíhat podle plánu, potom má Michael Fournier překonat hned 4 světové rekordy: v délce seskoku, v dosažené výšce pomocí balónu, v délce volného pádu a v dosažené rychlosti volného pádu. Během seskoku by měl dosáhnout rychlosti 1600 km/h (tj. 1,5 násobku rychlosti zvuku v dané výšce) a překonat tak zvukovou bariéru. (zobrazení plánovaného seskoku) Jako první člověk dosáhne v balónu takové výšky (zatím nejvýš - Nick Piantanida (USA) vystoupal v únoru 1966 do 37 000 metrů. Do 34 668 metrů - se dostal v roce 1961 Američan Malcolm Ross). Tato snaha o rekord není samoúčelná, ale má ukázat případné další nové cesty k záchraně astronautů a autoři doufají v zájem NASA o jejich technologie. Aktuálně celý pokus o seskok pronásleduje smůla, kdy připravený Michel nedokázal včas nasednout a nešťastně uvolněný balón organizátorům uletěl.
S nízkým tlakem a nedostatkem kyslíku se ale nesetkáme jenom v letadlech. První cestovatelé do velehor se setkávali s příznaky nedostatku kyslíku a popisovali tyto stavy jako horská mořská nemoc později označovaná jen jako horská nemoc. Dýchání se při ní prohloubí, dochází ke ztrátě orientace, zúžení zorného pole, postižený se při ní nemůže bez pomoci pohybovat a nakonec ztrácí vědomí, dostane křeče a prudce se sníží tepová frekvence. Dlouho nebylo jasné, co je hlavní příčinou této nemoci, protože v různých horách se projevovala tato nemoc v různých výškách. Že se jedná o nedostatečný parciální tlak kyslíku prokázal s konečnou platností francouzský fyziolog Paul Bert (parciální tlak O2 je sice hlavní, ale ne jedinou příčinou horské nemoci). Dodání kyslíku z tlakových bomb nemoc může odstranit, ale postižený se musí urychleně vrátit do oblasti s vyšším tlakem. Přes tuto znalost tragicky skončil jeden z prvních pokusů o výškový rekord v balónu Zenith, kdy dva vzduchoplavci se ve výšce 8000 metrů udusili a třetí -Tissandier sice přežil, ale natrvalo ohluchl. Pozdější pokusy se již prováděly ve specielních tlakových kabinách s dostatečnou zásobou kyslíku.
Na nižší tlak je možné provést do jisté míry aklimatizaci. Po několika týdnech pobytu ve vyšších nadmořských výškách se organizmus dokáže přizpůsobit. Doba v týdnech potřebná na úplnou aklimatizaci se vypočítává přibližně jako počet km nadmořské výšky krát 2. Aklimatizace ovšem není u většiny lidí trvalá a po delším pobytu organizmus trpí vyčerpáním svých rezerv. Nakonec může dojít ke chronické horské nemoci tzv. Mongeho choroby. Reakce každého člověka na nadmořskou výšku je naprosto individuální. Někdo se nedokáže aklimatizovat ani po mnohých týdnech, jiný nepotřebuje prakticky ani den. Jsou známy případy, například z doby příchodu čínské armády do Tibetu, kdy někteří jedinci jinak trvale žijící v nížině vykonávali bez aklimatizace tvrdou fyzickou práci ve výškách nad 5000 m.
Směs plynů v atmosféře je ideální pro člověka, protože je tomuto stavu dokonale přizpůsoben. Pokud ovšem je potřeba zajistit dýchání v prostředí kosmických lodí nebo ponorek, je tato směs z různých důvodů nevhodná. Již v minulém století přišli technici na nápad používat k dýchání čistý O2. Za normálního tlaku snášejí trvale lidé bez obtíží 60% obsah O2 v atmosféře. Byly činěny pokusy s dýcháním čistého O2.
Dospělí jedinci bez problémů snášeli 5 dnů v kyslíkové atmosféře bez jakýchkoliv následků, přesto se za bezpečnou považuje hranice maximálně dvou dnů. U většiny pokusných osob se po cca 6 hodinách objevují subjektivně nepříjemné pocity sucha v ústech a píchavé pocity za hrudní kostí. Čistý kyslík přímo prokazatelně poškozuje výstelku kapilár a buňky hlenového povrchu dýchacích cest. Trvá-li inhalace čistého O2 déle než 24 hodin, objeví se další toxické příznaky v oblasti srdečně cévního systému. Novorozenci jsou na nadmíru zvýšený obsah kyslíku v atmosféře ještě více hákliví. Kromě biologicky nepříznivých účinků je čistá kyslíková atmosféra i nesmírně nebezpečná svou vysokou reaktivitou. Hoří v ní bez problémů i látky za normálních okolností obtížně hořlavé. Tato vlastnost se stala osudná posádce Apolla 1 (Grissom, White, Cheafee) , kdy při nácviku v roce 1967 došlo k požáru v kabině a všichni uhořeli. Tlak kyslíku byl sice snížen natolik, aby odpovídal výšce 4500 m, při kterém je vdechování kyslíku relativně neškodné, ale oxidační vlastnosti bohužel, jak jinak, zůstaly.
Kyslík je proto potřeba míchat s nějakým jiným, fyziologicky inertním plynem. Standardně se nabízí použití klasické kyslíko-dusíkové atmosféry. Dusík má ale jednu nepříjemnou vlastnost. Poměrně dobře se rozpouští v krvi. Při náhlém snížení tlaku pak dojde k jeho uvolnění a ke vzniku bublinek v krevním řečišti. Nejčastějším projevem tohoto stavu je kesonová nemoc u potápěčů nebo desaturační aeropatie u letců. Obojí může způsobit smrt nebo ochrnutí s trvalými následky. Druhá nepříjemná vlastnost dusíku trápí více potápěče. Je známá pod pojmem dusíková narkóza. Řada potápěčů pracujících v hloubce 50m popisovala zvláštní stavy ospalosti, zhoršení úsudku, chuťové, čichové a sluchové přeludy, někdy provázené brněním prstů, rtů a špičky jazyka a zvláštní pocit euforie.
Traduje se, že každých 12m hloubky má na potápěče stejný vliv, jako jedna sklenka Martini na lačný žaludek, tzv. „zákon Martini“. (Za úvahu stojí myšlenka, zda parciální tlak dusíku v zemské atmosféře odpovídající podle této definice první sklence Martini není důvodem, že je vůbec život pro nás snesitelný.)
Dělníci v kesonech, nebo pokusné osoby si v přetlakových nádobách zpívali a smáli se často bezdůvodně jakékoliv maličkosti. Až na výjimky byl tento stav všem příjemný. Je zajímavé, že čichové a chuťové přeludy mají pouze potápěči a nikoliv pokusné osoby v přetlakových nádobách. Se zvyšujícím se tlakem euforický pocit roste, až nakonec dojde k halucinacím a následně ke ztrátě vědomí. Za ještě relativně bezpečný se považuje tlak odpovídající hloubce max. 60 m- 75 m. Jacques Y. Cousteau tyto stavy popisuje ve své knize Svět ticha. Jeho přítel si při dosažení hlouby 120m v návalu euforie strhl z obličeje dýchací přístroj a utonul.
Lidé jsou na biologický účinek inertních plynů mnohem citlivější, než zvířata. Podobné vlastnosti jako dusík mají i jiné inertní plyny. Jejich narkotický účinek je přímo úměrný molekulové váze. Za zmínku stojí zjištění, že dýchací směs kyslíku s xenonem způsobuje narkózu u lidí již za obyčejného tlaku. Naopak směs kyslíku s He má 5x menší narkotický účinek než dusík. Testovala se i dýchací směs vodíku s kyslíkem, ale ta je ze zřejmých důvodů prakticky obtížně použitelná, přesto existují potápěči, kteří ji používají. (Ruku na srdce, já bych tuto směs opravdu, ale opravdu dýchat nechtěl.) V současnosti se používá pro běžné potápění směs dusíku a kyslíku se zvýšeným obsahem O2. Umožňuje sice potápění do menších hloubek, než při potápění s běžným vzduchem, ale zato omezuje riziko kesonovy nemoci. Dále se používají různé směsi kyslíku s He nebo Ne. Potápěči testují a používají různé kombinace dýchacích plynů i pro různé hloubky, aby dokázali zkrátit na co nejmenší dobu čas potřebný k dekompresi. Doposud se ale hledá ta „nejoptimálnější“ varianta a nové objevy v této oblasti nejsou vyloučeny. Zatím co kyslíko-dusíková směs dovoluje potápění maximálně do hloubky okolo 90 m, neono-kyslíková směs obstála do hloubky 198 m. Teoreticky vypočítaná hloubka pro helio-kyslíkovou směs je sice 300 m, ale praktické zkoušky ukázaly, že výkonnost potápěče je v hloubce 244m již tak špatná, že bylo nutno omezit dobu pobytu potápěče v tomto tlaku na max. 20 minut. Ani to není málo, vezmeme-li do úvahy schopnost adaptace organizmu potápěčů na hlubinné potápění při opakovaných sestupech.
Jsou zaznamenány případy potápění do hloubky 330 m (5.6.2005 francouz Pascal Bemale). Jeho podpůrný tým deseti potápěčů a osmnácti členů posádky nad vodou mu rozmístil 20 lahví podél trasy a dalších 7 s různými směsmi si dopravoval sám. Sestup se neobešel bez dramatické situace, kdy implodovala lampa a poškodila mu ušní bubínek. Existuje údajně i jiný úspěšný hloubkový sestup jiného potápěče do 615m, ale o něm se mi nepodařilo zjistit bližší podrobnosti.
V nouzových situacích akutního ohrožení života, jakým je konkrétně například ztroskotání ponorky, může člověk i bez jakýchkoliv pomůcek překonat všechny nástrahy hlubin. Paradoxně se ukázalo, že statisticky vzato použití pomůcek naopak snižuje pravděpodobnost přežití. V tréninkových střediscích amerického námořnictva se běžně cvičí opuštění ponorky z hloubky 30-90m. Jediný povel je „vydechuj a plav“.
Při průměrné rychlosti vznášení 0,5-1,5m/s dostihne člověk hladiny do 60 vteřin. Jediné pravidlo je neustále vydechovat, aby rozpínající se plyn v plicích nepoškodil organizmus námořníka. Kesonová nemoc v tomto případě nehrozí, protože pobyt ve vysokém tlaku před opuštěním ponorky je velmi krátký. Současní vyznavači sportu freediving – volného potápění bez přístrojů se celkem běžně vlastními silami dokážou ponořit a znovu vyplavat do hloubek okolo 90-100 m.
Nejhlubší sestup ve volném potápění na „jeden nádech“ bez podpůrných přístrojů uskutečnil turecký freediver Patrik Musimov, který takto dosáhl hloubky úctyhodných 209,6 m.
Prameny:
Potápěčské centrum Don Felder Le Grand Saund Osel
Člověk na pokraji svých sil., ŠULC, J., DVOŘÁK, J., MORÁVEK, M Praha: Avicenum, 1984