Účinek rychlé dekomprese na člověka - sci-fi vs. realita

Jedná se sice o první článek, ale nehodlám zdržovat vítáním, a proto přejděme rovnou k věci. Kurzívou jsou psány doplňující a rozšiřující poznámky, nepodstatné pro ucelenost základní informace.

Vesmírná loď nebo stanice. V jeden moment dojde k nehodě s porušením její integrity. Nepřipravený člověk je náhle vystaven extrémním podmínkám volného prostoru, chcete-li vesmírného vakua. Co se s ním stane? Na takový dotaz lidé (ovlivněni vědecko-fantastickými filmy a literaturou) většinou reagují dvěma extrémy. Buď názorem, že se tělo roztrhne (rozprskne, vybuchne) nebo že okamžitě zmrzne. A to mě inspirovalo už dříve k napsání krátkého shrnutí této situace, které teď lehce rozvinu. Jak by to tedy proběhlo v reálu?

I. Tlak.
Lidské tělo sice není stavěno na odolání extrémním tlakům, ale zase nejde o balónek naplněný vzduchem. Atmosférický tlak na povrchu mořské hladiny je zhruba 100 kPa (1 atm).

Čistě pro přehled, převody základních tlakových jednotek jsou 1 atm = 101,325 kPa = 760 Torr (mmHg).

Když se člověk potopí ve vodě do hloubky deseti metrů a je vystaven dvěma atmosférám, samozřejmě mu nepopraskají žebra a hrudník není slisován na placku (nestane se to dokonce ani v několikanásobné hloubce). Když se člověk coby horolezec pohybuje v úrovni osmitisícovek, působí na něj naproti tomu tlak mezi 30-40 kPa a rovněž to přežívá bez úhony (vadí mu snížený parciální tlak kyslíku ve vzduchu, ale to je jiná otázka). Plus mínus jedna atmosféra není pro samotné tělo nic zásadního. Samozřejmě popsané situace představují postupnou změnu okolního tlaku při zachovalém dýchání, a rychlá událost typu nehody ve vesmíru je trochu něco jiného. Hlavním problémem jsou při ní tělní dutiny s obsahem vzduchu (plynu). Teoreticky jde o dva hlavní prostory. Plíce a dýchací cesty spolu s přilehlými dutinami v oblasti hlavy. A gastrointestinální trakt. Dále o působení tlaku viz. část IV.

II. Teplota.
Téměř absolutní nula (-270 °C, 3 K) vypadá na první pohled hrůzostrašně. Ale jenom na ten první dojem. Pomocnou ruku podává „nic" ve volném prostoru, situace, kdy na jeden metr krychlový připadá nanejvýš 1 atom hmoty. Nefunguje tak přenos tepla ve formě kondukce a konvekce, kteréžto principy přenosu tepla by se mocně uplatnily pro naháče v -50 °C na Sibiři nebo ještě výrazně lépe v ledové vodě. Ve vesmíru, když uvážíme, že vakuum je téměř dokonalé izolans, nemá proto tahle teplota takový význam. K ochlazení samozřejmě postupně dojde, ale z jiných příčin. Uplatňuje se pouze radiace coby proces relativně pomalý v porovnání s jinými pochody, ale zejména evaporace, i když spíš lokálního charakteru. Za nulového tlaku totiž přechází povrchová tekutina okamžitě do stavy páry a náhlé odpaření vede k prudkému poklesu teploty. Tekutina uvnitř těla však takto nereaguje. Dále o vlivu teploty viz. část IV.

III. Radiace.
Ve vesmíru by byl člověk vystaven celému spektru elektromagnetického záření od dlouhých vlnových délek po ionizující záření gama. To však nepředstavuje skutečně bezprostřední ohrožení, protože k akutní nemoci z ozáření by jistě nedošlo. Nebezpečné by bylo zejména ultrafialové spektrum při přímém vystavení slunci.

IV. Důsledky pro organizmus
Vůbec nejpodstatněji s životní prognózou souvisí vzduch v plicních sklípcích a dýchacích cestách. Při poklesu tlaku okolí se plyn uvnitř těla rozpíná. Pokud by se člověk zadržel dech (a nadto se předtím ještě nadechl), expandující vzduch by mu tenkou stěnu plicních sklípků, ale i větších cest snadno poškodil. Došlo by k masivnímu krvácení a mnohočetné bubliny vzduchu by embolizovaly oběh. Nevyhnutelná smrt by proto proběhla v rozpětí vteřin až desítek vteřin. Kdyby ale naopak tváří v tvář pohromě člověk okamžitě vydechl, případně alespoň umožnil unikání vzduchu ven, získal by šanci na rozepnutí reziduálního plynu bez vážnějších následků, což potvrdily i dekompresní nehody letadel ve vysokých výškách. Ve fázi, kdy již nehrozí přetlakové poškození, je ale přímá komunikace s venkovním prostředím nevýhodná. Dýchací cesty obsahují hojnou tekutinu, která by byla k dispozici k výparu a následnému chladnutí. Zadržení dechu s odstupem se tedy již jeví jako příznivé.

Tak či onak se ale obrátí poměry na alveokapilární membráně a kyslík přehází z místa o vyšším parciálním tlaku (plicní kapilára - okolo 40mmHg) do plicního sklípku (+-0). Jelikož ale neprobíhá kontinuální dýchání, nejde o velký problém, byť se urychluje hypoxémie.

Dodávka kyslíku mozku je základním faktorem přežití. (Odbočka. Pokud dojde k náhlé zástavě srdeční činnosti a tím i cirkulace, bezvědomí nastupuje za několik vteřin). Naše situace je ale ekvivalentní spíše dušení. Ačkoli krev již není okysličována, zachovalý průtok mozkem, byť se stále klesající saturací krve kyslíkem, prodlužuje dobu před nástupem bezvědomí až na desítky vteřin. Porucha vědomí pak samozřejmě vyřazuje člověka s pokusů o vlastní sebezáchranu, ale stále má naději být zachráněn někým jiným. Po nějaké době (zhruba do dvou minut vždy, spíše dříve) dojde i k zástavě srdeční akce. Následuje nevratné poškození mozku.

S dýchacími cestami souvisí i lebeční dutiny a středouší. Zejména v prostoru ucha, by náhlá změna tlaku měla patrně ničivý důsledek pro bubínek, neboť k vyrovnání rozdílu by plyn musel projít Eustachovou trubicí, která rozhodně volně nezeje. Ruptura bubínku je jistě nepříjemná, avšak už se nejedná o život ohrožující stav.

Co se týká žaludku a střev, které mohou obsahovat určité množství plynu, došlo by spíše pouze k jejich distenzi (rezepětí).

Teoretická ruptura části traktu s pneumoperitoneem sice není stav naprosto bezprostředně způsobující smrt, ale vzhledem k vyhlídce na vznik hemoperitonea z poranění cév a následnému šokovému stavu nebo třeba peritonitidu není o co stát. Váhám ale nad možností, že v daleké budoucnosti, kde se podobné nehody ve filmech odehrávají, asi už není operační zákrok přímo na lodi problémem.

Skutečně katastrofický scénář je pouze rezepětím navozené silné podráždění nervových (vagových) zakončení, ústící ve zpomalení až zástavu srdeční akce se všemi důsledky. I to by se mohlo stát.

Kromě zmíněných akutních ohrožení nejsou následující stavy už tak závažné. Odpaření povrchové vody by nejvýrazněji postihlo sliznice úst a nosu a oční rohovku při otevřených očích, takže ty by teoreticky až lokálně omrzly. Kůže naproti tomu nedisponuje vrstvou tekutiny na povrchu a proto by nešlo o celotělový efekt. Uvnitř těla by se tyto mechanismy neuplatnily. Kůže do jisté míry podtlakový efekt utlumí a krev v tepnách i žilách je navíc oddělena další vrstvou - cévní stěnou. Její hladká svalovina spolu se srdeční činností udržuje výrazně pozitivní tlak krve, který zapřičiňuje relativně vysokou teplotu varu, a vylučuje tak další z nesprávných názorů „člověku by se začla vařit krev".

Arteriální tlak je udržován fyziologicky cca nad 110/75 mmHg jinak nastupuje hypotenze. Při diastolickém tlaku 75 mmHg (=zhruba 10 kPa) je ale bod varu 47 °C, což přesahuje s rezervou teplotu lidského těla. Venózní tlak takových hodnot samozřejmě nedosahuje, ale pozvolný vznik malého množství páry intravazálně způsobuje zvýšení tlaku a ustavení nové rovnováhy.

Volná voda v podkoží může reagovat snadněji, i když nijak rychle, za vzniku svědění, pálení a bolesti. To popsal američan Joe Kittinger, člen USAF, poté, co mu při pokusu o rekordní výškový seskok, během vzestupné fáze ve speciálním balónu, unikl tlak z pravé rukavice jeho přetlakového obleku. Přesto pokračoval do požadované výšky 30km, kde se tlak blíží nule, a svůj pokus dokončil bez trvalých následků pro postiženou ruku. Nejsou vyloučeny ani drobné kapilární poruchy v podkoží za vzniku sufuzí až hematomů.
Další podstatnější poranění by mohlo objevit při nepříznivé poloze člověka vzhledem ke slunci (rozuměj kouká přímo do něj). Při přímém vystavení jeho ultrafialovému záření by došlo k poruchám zraku až oslepnutí a nekrytá kůže by byla v relativně krátké době popálena.

Shrnutí:
Poučený astronaut vystavený náhlé extrémní dekompresi pravděpodobně přežije, a to po dobu v řádu zhruba desítek vteřin. Samozřejmě výskyt případných následků narůstá s délkou působení extrémních podmínek. Rozhodně se však neroztrhne, nezačne mu vřít krev, ani okamžitě nezmrzne.

Zdroje:
http://www.sff.net/people/geoffrey.landis/vacuum.html
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/970603.html
http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Zivot/Meze.htm
http://cs.wikipedia.org/wiki/Tlak
http://cs.wikipedia.org/wiki/Křivka_sytých_par
http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Kittinger

Připomínky a diskuze vítány...