飞行员应了解的高空生理学.docx

飞行员应该了解的高空生理学、缺氧现象和快速释压方面的相关知识LindaD.Pendleton著李炜晟译［译者按］中国民航《公共航空运输承运人运行合格审定规则》(121部)中第121.419条d项规定：“在7600米(25000英尺)以上高度的飞行中服务的机组成员，应当接受下列内容的教育：(1)呼吸原理；(2)生理组织缺氧；(3)高空不供氧情况下的有知觉持续时间；(4)气体膨胀；(5)气泡的形成；(6)减压的物理现象和事件南航的《训练大纲》也规定飞行人员应急生存训练的内容应包括高空生理学的知识译者翻译的这篇文章介绍的正是这方面的知识原文写于1999年一架Lear35型飞机因不明原因的飞行员失能而失事之后作者LindaD.Pendleton拥有一万小时喷气机经历，是前奖状(Citation)飞机的教员以及飞安国际(FlightSafetyInternational)的计划经理，拥有30种Lear机型和全系列奖状飞机的型别等级他的这篇文章被认为是关于高空生理学和释压方面最为权威的论文飞行员已经完全失能或者已经死亡，一架幽灵般的飞机却正在飞越各地——这听起来好像是好莱坞一部蹩脚灾难片的剧本然而不幸的是，最近发生的事件让我们很想知道这一切是如何真实发生的。

我们也许永远也不会知道真相，但我们可以看看高空飞行的一些相关因素，找找一些可能的事故原因同时我们可以吸取教训飞行的环境当我向一些正在复训的有经验的喷气机飞行员询问他们中有多少人经过FAA的生理学训练课程训练时，我总是很吃惊通常只有不到半数的人有机会受到这种有价值训练我们长时间地呆在我们整洁舒适的驾驶舱里，离外面不适合生存的环境仅数英尺我们很少想到万一我们小心维持的舒适环境失效时外面的温度如何以及给我们的反应时间有多长喷气飞机被设计成可以在高空有效率地工作而我们人类不是任何时候当我们在高于我们适应的高度上活动时，危险就存在不管你如何评估自己的能力(包括战争故事中的那些英雄和硬汉们)，你的身体都会感受到所处环境的存在，同时也会受到气体浓度和环境压力的影响从生理学的角度来看大气可以被认为是不变的常数虽然我们常常说在高空空气变稀薄了，维持生命所必需的氧气也少了，但实际上大气的成分随着高度的变化而保持不变氧气在空气中的比例虽然恒定保持在21%，但一定体积空气里氧气分子的个数随高度的增加、压力的下降而减少就像一美元的21%和一美分的21%一样，百分比不变而价值不同大气成分中剩下的79%主要是氮气（79%）、二氧化碳（0.3%）、惰性气体（1%）和水气。

大气的物理特性压力：大气压力实际上就是我们测量地点上方所有的气体分子的重量之和由于在较高的高度上测量点上方的分子数目较少，所以你可以看到随着高度的增加压力是减小的（见图一）最明显的密度变化发生在海平面到5000英尺之间；因此，即使在一架增压的飞机中也必须考虑到压力和密度的变化问题国际标准大气（ISA）是指在海平面15°C（59°F）的干燥空气的平均压力为29.92英寸汞柱（760毫米汞柱）的大气这个标准也用相同温度下14.7psi或1013.2百帕来表示40,00055,EMO50,0001SW<售S335,00045,000图一压力随高度变化图温度：地球的表面依靠太阳辐射来取暖太阳辐射随后再反射回大气中，这些直接和反射的太阳辐射对直接加热大气作用很小大气主要是靠温暖的地球来直接加热的，因此大气的温度是随着高度的增加而降低的——直到到达高约35000英尺的对流层顶为止在到达对流层顶之后大气温度相对保持恒定干燥大气的温度垂直递减率是每1000英尺减少3.56°F（1.98°C）气体定律大气作为数种气体的混合体服从气体方面几个的物理定律对这些定律的理解能够帮助理解高度的影响和人体内气体的作用。

道尔顿定律告诉我们任何气体的混合体（压力和容积不变）的总压力等于混合体中单个气体压力（也称局部压力）之和同样，每一种气体的局部压力与该气体占混合体的百分比对应成比例因为氧气在大气中的比例恒定保持21%，道尔顿定律让我们能够计算出在任何高度上大气中氧气的局部压力我们后面就会看到人体如何受大气中气体压力的影响周围空气中可提供的氧气的局部压力很关键——它决定了人体缺氧情况何时发作以及发作强度亨利定律表明溶解在一种溶液里的气体数量与作用在溶液上该种气体的局部压力大小成正比一瓶碳酸饮料可以为我们演示这个定律当我们打开瓶盖时，饮料里的二氧化碳（C02）会慢慢地扩散到大气中去，直至饮料中的C02压力与周围空气中的CO2压力相等为止然后这瓶饮料就会变得很“没劲”波尔定律表明当温度恒定时气体的体积与其所受压力成反比气体在其所受压力减小时体积会增大这条定律适用于所有气体，即使是人体体内的气体也一样把海平面一定体积的气体在放到18000英尺时其体积会膨胀为原来的约两倍，放到50000英尺时会膨胀为原来的近9倍格雷厄姆定律告诉我们高压区的气体会向低压区施加一个力如果气体之间存在一个透膜或半透膜，那么气体会透过膜由高压区向低压区扩散。

这种扩散将会一直持续到膜两边的气体压力相等为止格雷厄姆定律适用于所有气体并且一个混合体中的每一种气体都会独立运动这样，两种或更多种气体透过同一个膜做不同方向的扩散就成为可能实际上，这就是氧气如何在细胞和组织中传输的原理高度是如何影响人体的好了，物理课就上到这里那么这一切又是如何影响我们的身体的呢？当我们谈到高度对人类身体的影响以及高空病时，我们总会想到“高”空并将其定位为高度层（FlightLevel）的某处实际上并不一定如此，长时间处于任何高于你日常生活的高度，你的身体都会有反应如果沿海的加利福尼亚居民到了海拔一英里高的丹佛，那他干任何事都不会像丹佛本地人那么有效率可是绝大多数丹佛人都不会认为丹佛的地面是“高空”接下来的讨论适用于所有的飞行员——喷气机的、直升机的、休闲运动的，以及滑翔机爱好者人体是如何使用氧气的让我们从我们的身体在正常情况下如何获得、运输和使用氧气入手，来开始关于高度如何影响人体的讨论吧这时，那些气体定律的重要性就会变得更加明显我们都清楚氧气在进行燃烧和氧化时是必需的基于同样的原因，氧气在人体里也是必需的——用以维持为生命提供能量的养料的氧化作用图二人体内呼吸作用的工作图血液里的氧气只有极少数是以血浆里的溶解形式运输的。

绝大多数的氧气——接近98%——是由红血球里的血色素分子运输的血色素结合和运送氧气的能力取决于周围环境中的氧气压力较高的氧气压力使血色素能够携带较多的氧气；较低的氧气压力则会使血色素放弃氧气的趋势增加正是这种（随压力条件）变化的结合特性，使血液能够从肺部获得氧气并运送到正在进行新陈代谢的组织那里血色素的这种特性也导致了众所周知的“氧气分离曲线”（见图二）我们已经知道了氧气压力随高度增加而近似线性地减小，但血色素的携氧能力却遵从着大不相同的变化曲线在略高于20000英尺的高度上血色素的携氧能力急剧减弱40,00035,00030,00025,00020,00015,00010,000O0095PERCENTOXYGENSATURATION图三氧气分离曲线在海平面高度上，空气以760毫米汞柱（mmHg）的压力进入肺部，其中氧气的局部压力大概是160mmHg（即760mmHg的21%）但流经肺部的血液并不直接与来自大气的空气相接触血液接触到的是肺泡空气——肺泡中含有的气体混合体——其中氧气仅占14%（这是因为其中加入了你吸入的水气以及从组织流回的血液所释放出的二氧化碳）肺泡空气中氧气的局部压力为760mmHg的14%即106.4mmHg。

肺泡空气中的二氧化碳占5.5%（与之相比，大气中则只占不到1%），其局部压力为41.8mmHg从组织流回的血液中血色素所携带的氧气，其压力约为40mmHg，格雷厄姆定律决定了氧气会从高压部分的肺泡空气向血液里扩散，而二氧化碳则从血液向肺泡部分扩散相反的过程发生在富含氧气的血液到达平均氧气压力为20mmHg的组织的时候如此低的氧气压力（20mmHg）会使血色素将氧气释放到组织里,与此同时二氧化碳从组织扩散到血液中（组织里二氧化碳的平均压力为50mmHg,而且，这还取决于组织的活动强度）所有这些关于高空的讨论是不是已经让你感到有些喘不过气来了？正常情况下对健康的个体来讲，海平面的大气压力足够使离开肺部的血液的氧气浓度接近完全饱和（97%）在10000英尺的高空这种饱和度降到了接近90%——仍然足够支持普通的生命功能（以医生的角度来看，93%的氧气饱和度是维持正常功能的底线）在派克峰顶（海拔约14500英尺，气压438mmHg）氧气饱和度下降到80%许多人如果在这种环境下呆一段时间就会患上高山病或者高空病：眩晕、恶心、虚弱、呼吸过度、不协调、思维迟缓、视线变暗以及心跳加速在25000英尺的高空，氧气饱和度仅为55%，人呆在这里将会失去意识。

请注意在25000英尺高度上肺泡空气中氧气的局部压力为281.8mmHg的14%即39.5mmHg——略低于正常从组织流回的静脉血里的氧气压力，那么高于25000英尺你认为氧气会向那个方向扩散呢？）现在，一些机敏的飞行员开始携带一种叫做“脉冲血氧计”的小仪器（见图三），将它夹在手指上，通过向指尖的动脉血管发射一束轻微的电波，可以测到血液中的氧气饱和度并以数字形式显示出来把它当作一个“缺氧计”可以让你随时准确地知道自己的缺氧情况图四脉冲血氧计缺氧的种类不管引起缺氧的原因如何，缺氧对飞行技能的影响以及其发作的症状都是相同的但看看不同的起因还是有好处的，这样当其中一个或几个因素存在的时候，我们可以警惕缺氧情况的发生供给不足型缺氧（Hypoxichypoxia）飞行员们常常称之为“高度缺氧”（altitudehypoxia）这是一种由于缺乏可供呼吸的氧气或者吸入空气中氧气的局部压力过低引起的缺氧现象是当我们在不增压飞行中或在座舱高度高于5000英尺的增压飞行时，遇到的典型缺氧现象虽然严格来讲，我们即使在只高于我们适应的环境几百英尺的高度上活动也会有某种程度的缺氧，但是缺氧现象在高高度不增压飞行中更为明显些。

事实上，如果没有其它因素的作用，供给不足型缺氧在5000英尺以下并不明显供给不足型缺氧的发生是因为肺部吸入的氧气压力和血液及组织中的氧气压力之间的差值越来越小，而血色素和氧气的结合能力正是受这个差值影响这个差值越大，血色素携氧能力越强随着这个压力差值越来越小，血色素携带和运输氧气就变得越来越困难贫血型缺氧（AnemicHypoxia）贫血型缺氧是指任何时候即使吸入的空气中有足够的氧气但血液的携氧能力却降低了的缺氧现象有多种情况可以使这种缺氧现象发生能够导致健康的、有活力的红血球数目减少的情况（贫血或红血球减少、失血、血细胞变异、疾病等等）都将削弱血液向组织供氧的能力还记得以前的广告老是警告说“为贫瘠的血液加铁”吗？铁是血红素细胞中的功能部分，正是铁使血红素成为生命中不可缺少的要素另外相对于可供红血球数目的减少，任何干扰血红素运送氧气能力的物质或者任何能取代融入血红素中的氧气的物质也将影响到可以提供给细胞的氧气对于血红素运输氧气最常见的破坏者就是一氧化碳一氧化碳与血红素结合的能力要比氧气容易200-300倍，而且一旦结合极难去除吸烟者会发现与他们的血红素结合的一氧化碳会令他们缺氧症状发作的起始高度降低2000-3000英尺。

这种影响并不局限于吸烟者，任何暴露于吸烟环境的人都会不同程度地受到影响下次你给一群醉鬼志愿当司机时记住这一点即使不喝酒也不感到疲倦，但你只需在烟雾缭绕的酒吧里坐上几个钟头，你的表现也会受到影响化学药品，如磺胺类药剂和亚硝酸盐药剂（存在于食品的防腐剂中），。