کاربرد گاز اکسیژن در تنفس غواصان و کوهنوردان

This post is also available in: English

گاز اکسیژن (O₂) یکی از عناصر ضروری برای حیات موجودات زنده است. در شرایط معمولی، اکسیژن هوای محیط حدود ۲۱٪ حجم هوا را تشکیل می‌دهد. این گاز نقش حیاتی در فرآیندهای بیوشیمیایی و تنفسی بدن دارد. با این حال، در شرایط خاص محیطی مانند غواصی در عمق آب یا صعود به ارتفاعات بسیار بالا، غلظت و فشار اکسیژن تغییر یافته و نیاز به تأمین اکسیژن به شکل کنترل‌شده و با تجهیزات خاص، حیاتی می‌شود.
این مقاله به بررسی کاربرد گاز اکسیژن در دو محیط افراطی غواصی و کوهنوردی می‌پردازد، با رویکرد علمی و تخصصی که برای مخاطب غیرمتخصص قابل درک باشد.

ویژگی‌ها و اهمیت گاز اکسیژن

اکسیژن گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است که در دمای اتاق و فشار معمولی به صورت مولکول O₂ وجود دارد. این گاز نقش اساسی در تولید انرژی سلولی دارد. در فرآیند تنفس سلولی، اکسیژن به عنوان گیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون عمل می‌کند و به تولید آدنوزین تری‌فسفات (ATP) کمک می‌کند. ATP منبع اصلی انرژی برای سلول‌هاست. بدون اکسیژن کافی، سلول‌ها وارد وضعیت بی‌هوازی می‌شوند و انرژی بسیار کمتری تولید می‌شود که می‌تواند به مرگ بافت و اندام‌ها منجر شود.

استفاده از اکسیژن در کوهنوردی

اثر ارتفاع بر اکسیژن خون

با افزایش ارتفاع، فشار جوی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این کاهش فشار جوی باعث کاهش فشار جزئی اکسیژن (Partial Pressure of Oxygen) در هوا می‌شود. فشار جزئی اکسیژن، نیروی محرکه‌ای است که اکسیژن را از ریه‌ها به خون منتقل می‌کند. در نتیجه، حتی اگر درصد اکسیژن هوا ثابت بماند (حدود ۲۱٪)، مقدار واقعی اکسیژنی که به خون وارد می‌شود کاهش می‌یابد.
در ارتفاعات زیاد، این پدیده باعث کاهش اشباع اکسیژن خون (SpO₂) می‌شود و ممکن است به ایجاد هیپوکسی منجر گردد. هیپوکسی شرایطی است که در آن بدن به میزان کافی اکسیژن دریافت نمی‌کند، و می‌تواند اثرات مختلفی بر عملکرد فیزیکی و شناختی انسان داشته باشد، از جمله:
• کاهش توان بدنی
• کندی واکنش‌های عصبی
• خستگی شدید
• سردرد و سرگیجه
• اختلال در هماهنگی حرکتی
کوهنوردانی که در ارتفاع بالای ۴۰۰۰ متر فعالیت می‌کنند، به طور معمول با کاهش قابل توجهی در ظرفیت هوازی مواجه می‌شوند. به همین دلیل، عملکرد جسمانی آن‌ها به شکل محسوسی کاهش می‌یابد و احتمال بروز بیماری ارتفاعی حاد (Acute Mountain Sickness – AMS) افزایش پیدا می‌کند. AMS شامل علائمی همچون تهوع، سرگیجه، سردرد، و اختلال خواب است. در ارتفاعات بالای ۵۵۰۰ متر، خطر ابتلا به ادم ریوی یا مغزی ناشی از ارتفاع (HAPE یا HACE) وجود دارد، که شرایطی بسیار خطرناک و تهدیدکننده حیات است.

مقاله مرتبط: اکسیژن پزشکی در غواصی

تجهیزات و سیستم‌های اکسیژن در صعودهای مرتفع

برای مقابله با کاهش فشار جزئی اکسیژن در ارتفاعات بالا، کوهنوردان حرفه‌ای از تجهیزات و سیستم‌های اکسیژن مکمل استفاده می‌کنند. این تجهیزات به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
1. ماسک‌های اکسیژن:
ماسک‌های طراحی‌شده برای کوهنوردی قادرند جریان اکسیژن خالص را به صورت کنترل‌شده به فرد منتقل کنند. این ماسک‌ها معمولاً به گونه‌ای ساخته شده‌اند که علاوه بر رساندن اکسیژن، امکان تنفس راحت در شرایط سرمای شدید و فشار پایین را فراهم کنند.
2. سیستم‌های تأمین اکسیژن سیار (Portable Oxygen Systems):
این سیستم‌ها شامل کپسول‌های سبک با ظرفیت بالا هستند که مجهز به رگولاتور فشار و ماسک تنفسی می‌باشند. برخی از این سیستم‌ها قابلیت تنظیم جریان اکسیژن بر اساس شرایط ارتفاع و نیاز تنفسی فرد را دارند.
3. کپسول‌های اکسیژن فشرده:
کپسول‌های اکسیژن معمولاً از آلیاژهای سبک ساخته می‌شوند تا وزن کمتری داشته باشند. این کپسول‌ها فشار بسیار بالایی دارند و با استفاده از رگولاتور فشار، اکسیژن را با میزان مناسب به سیستم تنفسی کوهنورد منتقل می‌کنند.
استفاده از این تجهیزات در ارتفاعات بالای ۷۰۰۰ متر، جایی که فشار جزئی اکسیژن کمتر از نصف مقدار سطح دریا است، به یک ضرورت تبدیل می‌شود. بدون اکسیژن مکمل، عملکرد جسمی و توانایی ادامه مسیر برای کوهنوردان در این ارتفاعات به طور چشمگیری کاهش پیدا می‌کند و ریسک بروز مشکلات جدی و حتی مرگ افزایش می‌یابد.

ایمنی و دستورالعمل‌های مصرف

استفاده از اکسیژن در کوهنوردی باید بر اساس برنامه‌ریزی دقیق و تحت نظارت باشد. مهم‌ترین اصول ایمنی شامل موارد زیر است:
• برنامه‌ریزی مسیر و بررسی شرایط آب‌وهوایی: ارتفاع، دما، رطوبت و فشار جوی باید قبل از شروع صعود بررسی شوند.
• آگاهی از محدودیت‌ها: هر فرد دارای ظرفیت متفاوتی برای انطباق با شرایط کمبود اکسیژن است. شناخت محدودیت‌های شخصی کمک می‌کند تا از بروز مشکلات جلوگیری شود.
• استفاده صحیح از تجهیزات: ماسک‌ها و سیستم‌های اکسیژن باید به درستی نصب و استفاده شوند تا میزان اکسیژن تحویلی مناسب باشد.
• تنظیم میزان جریان اکسیژن: بیش از حد مصرف کردن اکسیژن می‌تواند باعث وابستگی به اکسیژن مصنوعی و کاهش توانایی بدن در انطباق با شرایط طبیعی شود.
همچنین، کوهنوردان باید از تکنیک‌هایی مانند اکلیماسیون مرحله‌ای (acclimatization) استفاده کنند؛ یعنی صعود به ارتفاعات بالاتر را به صورت تدریجی انجام دهند تا بدن فرصت سازگاری پیدا کند و نیاز به اکسیژن مصنوعی کاهش یابد.

تفاوت نیاز اکسیژنی بین غواصان و کوهنوردان

غواصان و کوهنوردان هر دو با چالش‌های تنفسی ویژه‌ای در محیط‌های افراطی روبرو هستند، اما ماهیت این چالش‌ها کاملاً متفاوت است. تفاوت اصلی در این است که غواصان با افزایش فشار جزئی اکسیژن مواجه‌اند، در حالی که کوهنوردان با کاهش فشار جزئی اکسیژن روبرو می‌شوند. این اختلاف بنیادی، باعث تفاوت اساسی در نیازها، تجهیزات و پروتکل‌های ایمنی می‌شود.

غواصی و فشار اکسیژن

در محیط زیر آب، فشار محیط با عمق افزایش می‌یابد. این افزایش فشار بر رفتار گازها تأثیر می‌گذارد. بر اساس قانون دالتون (Dalton’s Law)، فشار جزئی هر گاز در یک مخلوط با عمق تغییر می‌کند. برای اکسیژن، این بدین معناست که هرچه غواص عمیق‌تر برود، فشار جزئی اکسیژن افزایش یافته و در نتیجه مقدار اکسیژن جذب‌شده توسط خون نیز بیشتر می‌شود.
اگر این فشار جزئی از مقدار مجاز فراتر رود، غواص در معرض خطر سمیت اکسیژن (Oxygen Toxicity) قرار می‌گیرد. این وضعیت می‌تواند باعث بروز مشکلات جدی مانند تشنج، اختلالات بینایی، سرفه، درد قفسه سینه و آسیب به بافت ریه‌ها شود. بنابراین، غواصان باید ترکیب‌های گازی را به دقت انتخاب و کنترل کنند تا فشار اکسیژن در محدوده ایمن باقی بماند.
به همین دلیل، غواصان از ترکیب‌های خاصی مانند نیتروکس یا تری‌میکس استفاده می‌کنند که درصد اکسیژن آن‌ها نسبت به هوای معمولی کاهش یا تغییر یافته است. همچنین تجهیزات غواصی مدرن دارای حسگرهای فشار و کامپیوترهای غواصی هستند که فشار جزئی اکسیژن را لحظه‌به‌لحظه اندازه‌گیری و تنظیم می‌کنند.

کوهنوردی و کمبود اکسیژن

در مقابل، کوهنوردان با پدیده‌ای کاملاً متفاوت روبرو هستند: کاهش فشار جزئی اکسیژن. با افزایش ارتفاع، فشار جوی کاهش می‌یابد و این کاهش باعث می‌شود که حتی با ثابت ماندن درصد اکسیژن در هوا (۲۱٪)، مقدار اکسیژنی که در هر دم به ریه‌ها وارد می‌شود کاهش پیدا کند.
این کاهش فشار جزئی اکسیژن موجب افت اشباع اکسیژن خون و کاهش ظرفیت انتقال اکسیژن به سلول‌ها می‌شود. نتیجه این امر ایجاد هیپوکسی است، که می‌تواند عوارض جدی مانند ضعف، خستگی، کاهش تمرکز، اختلال در هماهنگی حرکتی، سردرد و حتی اختلالات شدیدتری مانند ادم ریوی یا مغزی ناشی از ارتفاع ایجاد کند.
برای مقابله با این وضعیت، کوهنوردان در ارتفاعات بالا از اکسیژن مکمل استفاده می‌کنند. این کار باعث افزایش فشار جزئی اکسیژن تنفسی و بهبود سطح اکسیژن خون می‌شود. استفاده از اکسیژن مکمل نه تنها عملکرد بدنی را بهبود می‌دهد، بلکه خطر بروز بیماری‌های ناشی از کمبود اکسیژن را کاهش می‌دهد.

بیشتر بخوانید:  کاربرد گاز اکسیژن در اکسیژن درمانی برای میگیرن

مقایسه عملکرد سیستم تنفسی

یک تفاوت کلیدی دیگر بین غواصان و کوهنوردان در نحوه واکنش سیستم تنفسی بدن به تغییر فشار اکسیژن است:
• در غواصی: بدن باید با افزایش فشار جزئی اکسیژن سازگار شود، در حالی که در کوهنوردی بدن باید با کاهش فشار اکسیژن سازگار شود. این فرآیندها نیازمند تنظیمات متفاوت در سیستم‌های تنفسی، گردش خون و متابولیسم سلولی هستند.
• در غواصی: استفاده از برنامه‌های توقف فشار و تنظیم ترکیب گاز اهمیت زیادی دارد.
• در کوهنوردی: استفاده از برنامه‌های اکلیماسیون مرحله‌ای (acclimatization) و مدیریت میزان مصرف اکسیژن مکمل از اهمیت بالایی برخوردار است.

پیامدهای ایمنی و تکنیکی

این تفاوت‌ها باعث می‌شود که تجهیزات، آموزش‌ها و پروتکل‌های ایمنی در هر یک از این فعالیت‌ها کاملاً متفاوت باشد:
• غواصان نیازمند دانش عمیق در زمینه فیزیک گازها، کنترل فشار جزئی اکسیژن و ترکیبات گازی هستند.
• کوهنوردان نیازمند برنامه‌ریزی دقیق مسیر، مدیریت زمان اکلیماسیون و استفاده از تجهیزات اکسیژن همراه هستند.
در نتیجه، درک دقیق این تفاوت‌ها برای ایمنی و موفقیت در هر دو فعالیت حیاتی است.

فناوری‌ها و نوآوری‌های نوین در تأمین اکسیژن برای محیط‌های افراطی

پیشرفت‌های تکنولوژیکی در حوزه غواصی و کوهنوردی شامل:
• سیستم‌های هوشمند تنظیم فشار اکسیژن: این سیستم‌ها قادرند میزان اکسیژن را بر اساس فشار محیط و وضعیت فرد به‌طور خودکار تنظیم کنند.
• کپسول‌های سبک و با ظرفیت بالا: استفاده از مواد پیشرفته و طراحی بهینه باعث شده که کپسول‌های اکسیژن سبک‌تر و قابل حمل‌تر شوند.
• فناوری‌های بازیافت و خالص‌سازی اکسیژن: این فناوری‌ها امکان استفاده مجدد از اکسیژن مصرف‌شده را فراهم می‌کنند، که به ویژه در شرایط طولانی مدت بسیار کارآمد است.
این پیشرفت‌ها نقش بسیار مهمی در افزایش ایمنی و کارایی غواصی و کوهنوردی ایفا می‌کنند و به ورزشکاران امکان می‌دهند با اطمینان بیشتری به فعالیت‌های خود ادامه دهند.

گاز اکسیژن، به عنوان عنصر حیاتی زندگی، نقش بی‌بدیلی در حفظ سلامت و توانایی انسان در شرایط محیطی افراطی ایفا می‌کند. در غواصی، کنترل دقیق فشار جزئی اکسیژن برای جلوگیری از سمیت اهمیت دارد و در کوهنوردی، تأمین اکسیژن کافی برای جلوگیری از هیپوکسی یک ضرورت است.
استفاده صحیح از تجهیزات، آگاهی از شرایط محیط و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین، کلید حفظ سلامت و افزایش ایمنی در این فعالیت‌ها هستند. آینده تحقیقات و توسعه تجهیزات، نویدبخش بهبود مستمر شرایط تنفسی در محیط‌های افراطی خواهد بود.

————————————————–

منابع

1. Edmonds, C., Lowry, C., & Pennefather, J. (2015). Diving and Subaquatic Medicine. CRC Press.
2. West, J.B. (2012). High Altitude Medicine. CRC Press.
3. Bove, A.A., & Davis, J.C. (2011). Diving Medicine. American College of Sports Medicine.
4. West, J.B., & Schoene, R.B. (2008). “High-Altitude Exposure.” New England Journal of Medicine, 358(12), 1187–1195.
5. Moon, R.E. (2017). “Oxygen Toxicity.” Comprehensive Physiology, 7(3), 1–30.
6. Hackett, P.H., Roach, R.C. (2001). “High-altitude illness.” New England Journal of Medicine, 345(2), 107–114.
7. Lemaître, F., Desruelle, A.V., & Vercueil, L. (2015). “Oxygen supplementation in high-altitude mountaineering.” Wilderness & Environmental Medicine, 26(2), 219–226.
8. Ranapurwala, S.I., & Vann, R.D. (2017). “Gas mixtures and decompression sickness.” Undersea & Hyperbaric Medicine Journal, 44(4), 309–318.
9. Wagner, P.D. (2000). “Oxygen transport to tissue.” Comprehensive Physiology.
10. West, J.B. (2016). Altitude and Human Health. Springer.