فسيولوجيا الإنسان أثناء الغوص تحت الماء

علم وظائف الأعضاء البشرية للغوص تحت الماء هو دراسة التأثيرات الفسيولوجية للبيئة المائية على الغواص البشري الذي يغوص تحت الضغط الجوي المحيط ، والتكيفات اللازمة للعمل تحت الماء، سواء أثناء الغوص مع حبس النفس أو أثناء التنفس تحت الضغط الجوي المحيط باستخدام مصدر مناسب لغاز التنفس. ولذلك، يشمل هذا المجال مجموعة التأثيرات الفسيولوجية التي تقتصر عمومًا على الغواصين الذين يغوصون تحت الضغط الجوي المحيط، سواء كانوا يمارسون الغوص الحر أو يستخدمون أجهزة التنفس تحت الماء . تؤثر عدة عوامل على الغواص، بما في ذلك الغمر، والتعرض للماء، ومحدودية قدرة الغواص على حبس النفس، والتغيرات في الضغط الجوي المحيط، وتأثيرات غازات التنفس عند ارتفاع الضغط الجوي المحيط، والتأثيرات الناتجة عن استخدام أجهزة التنفس، وضعف الحواس. كل هذه العوامل قد تؤثر على أداء الغواص وسلامته. ^{[ 1 ]}

يؤثر الغمر في الماء على توازن السوائل والدورة الدموية والتنفس. ^{[ 2 ] [ 3 ]} قد يؤدي التعرض للماء البارد إلى رد فعل الصدمة الباردة الضار ، ^{[ 4 ] [ 5 ]} ورد فعل الغوص المفيد وفقدان حرارة الجسم بشكل مفرط. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} مدة حبس النفس محدودة باحتياطيات الأكسجين، والاستجابة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون، وخطر فقدان الوعي الناتج عن نقص الأكسجين ، والذي يرتبط بخطر كبير للغرق . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

قد تُسبب التغيرات الكبيرة أو المفاجئة في الضغط الجوي إصابات تُعرف باسم الرضح الضغطي . ^{[ 1 ] [ 13 ]} ينطوي التنفس تحت الضغط على عدة تأثيرات. تمتص الأنسجة الغازات غير النشطة أيضيًا، وقد يكون لها تأثيرات مخدرة أو غير مرغوب فيها، ويجب إطلاقها ببطء لتجنب تكوّن الفقاعات أثناء تخفيف الضغط . ^{[ 14 ]} يكون تأثير الغازات النشطة أيضيًا أكبر كلما زاد تركيزها، والذي يتناسب مع ضغطها الجزئي، والذي يزداد بالنسبة للملوثات مع الضغط الجوي المطلق. ^{[ 1 ]}

يزداد جهد التنفس نتيجةً لزيادة كثافة غاز التنفس، وتشوهات جهاز التنفس ، وتغيرات الضغط الهيدروستاتيكي الناجمة عن وضعية الجسم في الماء. كما تؤثر البيئة تحت الماء على المدخلات الحسية، مما قد يؤثر على السلامة والقدرة على العمل بفعالية في الأعماق. ^{[ 2 ]}

يؤثر غمر جسم الإنسان في الماء على الدورة الدموية ، والجهاز الكلوي ، وتوازن السوائل ، والتنفس، وذلك نتيجةً للضغط الهيدروستاتيكي الخارجي للماء الذي يُوازن الضغط الهيدروستاتيكي الداخلي للدم. يؤدي هذا إلى انتقال الدم من الأنسجة خارج الأوعية الدموية في الأطراف إلى تجويف الصدر، ^{[ 2 ]} وتُعوض خسائر السوائل، المعروفة باسم إدرار البول الناتج عن الغمر، هذا الانتقال في الأشخاص المُرطبين بعد الغمر مباشرةً. ^{[ 3 ] [ 2 ]} كما يُسبب الضغط الهيدروستاتيكي على الجسم نتيجةً لغمر الرأس خارج الماء تنفسًا بضغط سلبي، مما يُساهم في انتقال الدم. ^{[ 3 ]}

يؤدي انتقال الدم إلى زيادة الجهد التنفسي والقلبي. لا يتأثر حجم الضربة القلبية بشكل كبير بالغمر أو بتغير الضغط المحيط ، لكن تباطؤ ضربات القلب يقلل من الناتج القلبي الكلي، خاصةً بسبب رد فعل الغوص أثناء حبس النفس . ^{[ 2 ]} ينخفض ​​حجم الرئة في وضعية الوقوف نتيجةً لانزياح البطن نحو الأعلى بفعل الضغط الهيدروستاتيكي، وتزداد مقاومة تدفق الهواء في المسالك الهوائية بشكل ملحوظ بسبب انخفاض حجم الرئة. ^{[ 3 ]} يبدو أن هناك علاقة بين الوذمة الرئوية وزيادة تدفق الدم الرئوي وضغطه، مما يؤدي إلى احتقان الشعيرات الدموية. قد يحدث هذا أثناء ممارسة التمارين الرياضية عالية الشدة في حالة الغمر أو الغوص. ^{[ 2 ]} يمكن أن يؤدي الحمل الساكن السلبي على الرئة، الناتج عن فرق الضغط الهيدروستاتيكي بين الضغط المحيط على الصدر وضغط إمداد غاز التنفس، إلى انخفاض امتثال أنسجة الرئة الرخوة، مما يؤدي إلى زيادة جهد التنفس . ^{[ 15 ]}

استجابة الصدمة الباردة هي الاستجابة الفسيولوجية للكائنات الحية للبرد المفاجئ، وخاصة الماء البارد، وهي سبب شائع للوفاة نتيجة الغمر في الماء شديد البرودة، ^{[ 5 ]} كما في حالة السقوط عبر طبقة رقيقة من الجليد. تسبب الصدمة الفورية للبرد استنشاقًا لا إراديًا، والذي قد يؤدي إلى الغرق تحت الماء. كما يمكن أن يتسبب الماء البارد في نوبة قلبية نتيجة تضيق الأوعية الدموية؛ ^{[ 4 ]} حيث يضطر القلب إلى بذل جهد أكبر لضخ نفس كمية الدم في جميع أنحاء الجسم، وبالنسبة للأشخاص المصابين بأمراض القلب، قد يؤدي هذا الجهد الإضافي إلى توقف القلب. يمكن للشخص الذي ينجو من الدقيقة الأولى من الصدمة بعد السقوط في الماء المثلج أن يبقى على قيد الحياة لمدة ثلاثين دقيقة على الأقل بشرط ألا يغرق. ومع ذلك، تتراجع القدرة على القيام بأعمال مفيدة مثل البقاء طافيًا بشكل كبير بعد عشر دقائق حيث يقوم الجسم بوقف تدفق الدم إلى العضلات "غير الأساسية" كإجراء وقائي. ^{[ 5 ]}

منعكس الغوص هو استجابة للغمر تتجاوز ردود الفعل الأساسية للحفاظ على التوازن الداخلي ، ويوجد لدى جميع الفقاريات التي تتنفس الهواء. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يعمل هذا المنعكس على تحسين عملية التنفس من خلال توزيع مخزون الأكسجين بشكل تفضيلي على القلب والدماغ، مما يسمح بالبقاء تحت الماء لفترات طويلة. يظهر هذا المنعكس بقوة لدى الثدييات المائية ( مثل الفقمات ، ^{[ 17 ]} وثعالب الماء ، والدلافين ، وفئران المسك )، ^{[ 18 ]} ولكنه موجود أيضًا لدى ثدييات أخرى، بما في ذلك البشر . تمتلك الطيور الغاطسة ، مثل طيور البطريق ، منعكس غوص مشابهًا. ^{[ 6 ]} يُحفز منعكس الغوص تحديدًا عن طريق تبريد الوجه وحبس النفس. ^{[ 6 ] [ 19 ]} تتركز التأثيرات الأكثر وضوحًا على الجهاز القلبي الوعائي، حيث تظهر تضيقات الأوعية الدموية الطرفية، وبطء معدل النبض، وإعادة توجيه الدم إلى الأعضاء الحيوية للحفاظ على الأكسجين، وإطلاق خلايا الدم الحمراء المخزنة في الطحال ، وفي البشر، اضطرابات في نظم القلب. ^{[ 6 ]} طورت الثدييات المائية تكيفات فسيولوجية للحفاظ على الأكسجين أثناء الغمر، ولكن انقطاع النفس، وبطء القلب، وتضيق الأوعية الدموية هي استجابة عصبية مشتركة مع الثدييات البرية. ^{[ 7 ]}

انخفاض حرارة الجسم هو انخفاض في درجة حرارة الجسم يحدث عندما يفقد الجسم حرارة أكثر مما يمتصه وينتجه. ^{[ 20 ]} يحدث انخفاض حرارة الجسم السريري عندما تنخفض درجة حرارة الجسم الأساسية إلى أقل من 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) . ^{[ 21 ]} يُعد فقدان الحرارة عائقًا رئيسيًا أمام السباحة أو الغوص في الماء البارد. ^{[ 8 ]} يؤدي انخفاض براعة الأصابع بسبب الألم أو التنميل إلى انخفاض السلامة العامة والقدرة على العمل، مما يزيد بالتالي من خطر الإصابات الأخرى. ^{[ 8 ] [ 9 ]} كما أن انخفاض القدرة على اتخاذ القرارات الرشيدة يزيد من المخاطر الناجمة عن المخاطر الأخرى، ويؤثر ضعف العضلات الباردة أيضًا على القدرة على التعامل مع كل من الحالات الروتينية والطارئة. يؤثر انخفاض درجة حرارة الأنسجة وانخفاض التروية الدموية الطرفية على ذوبان الغاز الخامل ومعدل دخوله وخروجه، مما يؤثر بالتالي على إجهاد تخفيف الضغط ومخاطره. ^{[ 21 ]} يفقد الجسم حرارته في الماء بسرعة أكبر بكثير من فقدانها في الهواء، لذا فإن درجات حرارة الماء التي تُعتبر معقولة تمامًا كدرجات حرارة الهواء الخارجي قد تؤدي إلى انخفاض حرارة الجسم لدى الغواصين غير المحميين بشكل كافٍ، على الرغم من أنها ليست في كثير من الأحيان السبب السريري المباشر للوفاة. ^{[ 8 ]}  

يمكن أن يؤدي التعرض المستمر للقناة السمعية الخارجية للماء البارد إلى نمو الزوائد العظمية . ^{[ 21 ]}

إصابة البرد غير المتجمدة (NFCI) هي شكل من أشكال إصابات البرد الموضعية التي لا يحدث فيها تلف ناتج عن دورات التجميد والذوبان. وينتج تلف الأنسجة عن التعرض المستمر لدرجات حرارة منخفضة دون تجميد فعلي . ^{[ 22 ]} وتنتج إصابة البرد غير المتجمدة عن تلف بطانة الأوعية الدموية الدقيقة ، وركود الدم ، وانسداد الأوعية الدموية ، وتتميز باعتلال الأعصاب المحيطية . ^{[ 23 ] [ 24 ]} وتؤثر إصابة البرد غير المتجمدة عادةً على اليدين أو القدمين عند التعرض لدرجات حرارة أعلى بقليل من درجة التجمد، وغالبًا ما تكون رطبة. ^{[ 23 ]}

تؤثر الحالة الحرارية للغواص بشكل كبير على إجهاد ومخاطر تخفيف الضغط، ومن وجهة نظر السلامة، يُعدّ هذا الأمر أكثر أهمية من الراحة الحرارية. يكون دخول الغازات إلى الجسم أثناء الدفء أسرع منه أثناء البرد، وكذلك خروجها ، وذلك بسبب اختلاف تدفق الدم استجابةً لإدراك درجة الحرارة، والذي يُحسّ به في الغالب في الأنسجة السطحية. قد يؤدي الحفاظ على الدفء من أجل الراحة أثناء مرحلة دخول الغازات إلى زيادة تحميل الأنسجة بالغازات ، كما أن الشعور بالبرد أثناء تخفيف الضغط قد يُبطئ من خروج الغازات بسبب انخفاض تدفق الدم في الأنسجة الباردة، وربما أيضًا بسبب زيادة ذوبان الغاز في الأنسجة الباردة. ^{[ 21 ]}

يُحدَّد عمق الغوص مع حبس النفس لدى الحيوانات التي تتنفس الهواء بقدرتها الفسيولوجية على الغوص باستخدام الأكسجين المتاح حتى عودتها إلى مصدر غاز تنفس نقي، وعادةً ما يكون الهواء على السطح. عندما ينضب مخزون الأكسجين الداخلي هذا، يشعر الحيوان بحاجة متزايدة للتنفس نتيجة تراكم ثاني أكسيد الكربون في الدورة الدموية، يتبعها فقدان للوعي بسبب نقص الأكسجين في الجهاز العصبي المركزي . إذا حدث هذا تحت الماء، فسيغرق . [ ^{25 ] يكون} عمق الغوص مع حبس النفس محدودًا لدى الحيوانات عندما يمتلئ حجم الفراغات الهوائية الداخلية ذات الجدران الصلبة بغاز التنفس المضغوط، وتنهار الفراغات الرخوة تحت ضغط خارجي. تمتلك الحيوانات القادرة على الغوص بعمق فراغات هوائية داخلية يمكن أن تنهار بشكل كبير دون ضرر، وقد تزفر بنشاط قبل الغوص لتجنب امتصاص الغاز الخامل أثناء الغوص. ^{[ 26 ]}

فقدان الوعي أثناء حبس النفس هو فقدان للوعي ناتج عن نقص الأكسجين في الدماغ قرب نهاية الغوص بحبس النفس ، عندما لا يشعر السباح بالضرورة بحاجة ملحة للتنفس، ولا يعاني من أي حالة طبية أخرى واضحة قد تكون سببًا في ذلك. يمكن أن يحدث هذا نتيجة فرط التنفس قبل الغوص مباشرة، أو نتيجة انخفاض الضغط أثناء الصعود، أو مزيج من هذين السببين. غالبًا ما يكون الضحايا من ممارسي الغوص بحبس النفس ذوي الخبرة، ويتمتعون بلياقة بدنية عالية، وسباحين أقوياء، ولم يسبق لهم مواجهة مشاكل من قبل. ^{[ 13 ] [ 12 ] [ 11 ]}

عادةً ما يغرق الغواصون والسباحون الذين يفقدون الوعي أو ينتابهم شعورٌ بالدوار تحت الماء أثناء الغوص، ما لم يتم إنقاذهم وإنعاشهم في غضون فترة وجيزة. ^{[ 27 ]} يُعدّ فقدان الوعي أثناء الغوص الحرّ حالةً خطيرةً ذات معدل وفيات مرتفع، ويصيب في الغالب الذكور الذين تقل أعمارهم عن 40 عامًا، ولكنه قابلٌ للتجنب عمومًا. لا يمكن تحديد حجم المخاطر بدقة، ولكن من الواضح أنها تزداد مع أي مستوى من فرط التنفس. ^{[ 10 ]}

يمكن أن يحدث فقدان الوعي أثناء الغوص الحر في أي نوع من أنواع الغوص: عند عمق ثابت، أو أثناء الصعود من العمق، أو على السطح بعد الصعود من العمق، ويمكن وصفه بعدة مصطلحات حسب نوع الغوص والعمق الذي يُفقد فيه الوعي. يختلف فقدان الوعي أثناء الغوص الضحل عن فقدان الوعي أثناء الصعود من الغوص العميق، حيث أن فقدان الوعي في المياه العميقة ينتج عن انخفاض الضغط أثناء الصعود من العمق، بينما يكون فقدان الوعي في المياه الضحلة نتيجة لنقص ثاني أكسيد الكربون في الدم بعد فرط التنفس. ^{[ 11 ] [ 28 ]}

يبلغ الحد الأدنى للضغط الجزئي للأكسجين في الأنسجة والوريد اللازم للحفاظ على الوعي حوالي 20 مليمترًا من الزئبق (27 ملي بار) . ^{[ 29 ]} وهذا يعادل تقريبًا 30 مليمترًا من الزئبق (40 ملي بار) في الرئتين. ^{[ 30 ]} يحتاج الدماغ إلى حوالي 46 مل/دقيقة من الأكسجين لوظائفه. وهذا يعادل الحد الأدنى للضغط الجزئي للأكسجين في الدم الشرياني (   ${\displaystyle {P_{a_{O_{2}}}}}$) من 29 مليمتر زئبقي (39 ملي بار) عند تدفق دماغي 868 مل/دقيقة. ^{[ 29 ]}  

يؤدي فرط التنفس إلى استنزاف ثاني أكسيد الكربون من الدم (نقص ثاني أكسيد الكربون في الدم)، مما يسبب قلاءً تنفسيًا (ارتفاع درجة الحموضة)، ويؤدي إلى انزياح منحنى تفكك الأكسجين-الهيموجلوبين نحو اليسار . ينتج عن ذلك انخفاض في الضغط الجزئي للأكسجين في الدم الوريدي، مما يزيد من سوء نقص الأكسجة. ^{[ 29 ]} عادةً ما ينقطع حبس النفس مع التهوية الطبيعية (بسبب _ثاني أكسيد الكربون ) عند تشبع الأكسجين بأكثر من 90%، وهو ما لا يُعد نقصًا في الأكسجة. يُحفز نقص الأكسجة التنفس، لكن ليس بقوة دافع التنفس الناتج عن فرط ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 31 ]} وقد دُرست هذه الظاهرة في طب المرتفعات، حيث يحدث نقص الأكسجة دون فرط ثاني أكسيد الكربون في الدم بسبب انخفاض الضغط الجوي. ^{[ 30 ]} يتسم التوازن بين دافع التنفس الناتج عن فرط ثاني أكسيد الكربون ونقص الأكسجة بالتنوع الجيني، ويمكن تعديله من خلال التدريب على نقص الأكسجة. تشير هذه الاختلافات إلى أنه لا يمكن تقدير المخاطر التنبؤية بدقة، ولكن فرط التنفس قبل الغوص ينطوي على مخاطر مؤكدة. ^{[ 10 ]}

هناك ثلاث آليات مختلفة وراء حالات فقدان الوعي في الغوص الحر: ^{[ 32 ]}

يحدث نقص الأكسجة الناتج عن طول مدة الغوص عندما يُحبس النفس لفترة كافية تُؤدي إلى انخفاض الضغط الجزئي للأكسجين بفعل النشاط الأيضي، مما يُسبب فقدان الوعي. ويتسارع هذا الأمر مع بذل الجهد، الذي يستهلك الأكسجين بسرعة أكبر، أو مع فرط التنفس، الذي يُقلل من مستوى ثاني أكسيد الكربون في الدم، مما قد يزيد بدوره من ألفة الهيموجلوبين للأكسجين، وبالتالي يُقلل من توافر الأكسجين لأنسجة الدماغ قرب نهاية الغوص ( تأثير بور )، ويُثبط الرغبة في التنفس، مما يُسهل حبس النفس حتى فقدان الوعي. ويمكن أن يحدث هذا على أي عمق. ^{[ 33 ] [ 32 ]}

يحدث نقص الأكسجة الإقفاري نتيجة انخفاض تدفق الدم إلى الدماغ بسبب تضيق الأوعية الدماغية الناجم عن انخفاض ثاني أكسيد الكربون بعد فرط التنفس، أو زيادة الضغط على القلب نتيجة نفخ البلعوم اللساني (حشو الرئتين) الذي قد يقلل من الدورة الدموية بشكل عام، أو كليهما. إذا استهلك الدماغ كمية من الأكسجين تفوق الكمية المتوفرة في الدم، فقد ينخفض ​​الضغط الجزئي للأكسجين في الدماغ إلى ما دون المستوى اللازم للحفاظ على الوعي. من المرجح أن يحدث هذا النوع من فقدان الوعي في بداية الغوص. ^{[ 32 ] [ 34 ]}

يحدث نقص الأكسجين الناتج عن الصعود بسبب انخفاض الضغط الجزئي للأكسجين نتيجة انخفاض الضغط المحيط أثناء الصعود. قد يكون الضغط الجزئي للأكسجين في الأعماق، تحت الضغط، كافيًا للحفاظ على الوعي، ولكن فقط عند ذلك العمق وليس عند الضغوط المنخفضة في المياه الضحلة فوق السطح أو على السطح نفسه. ^{[ 35 ] [ 32 ] [ 34 ]}

تختلف آلية فقدان الوعي أثناء الصعود عن فقدان الوعي الناتج عن نقص ثاني أكسيد الكربون في الدم بسبب فرط التنفس، ولا يرتبط بالضرورة بفرط التنفس. ^{[ 11 ] [ 28 ]} ومع ذلك، فإن فرط التنفس يزيد من المخاطر، ولا يوجد فرق واضح بينهما. يمكن أن يحدث فقدان الوعي في المياه الضحلة في المياه الضحلة للغاية، حتى على اليابسة بعد فرط التنفس وانقطاع النفس، لكن التأثير يصبح أكثر خطورة في مرحلة الصعود من الغوص الحر العميق. هناك لبس كبير حول مصطلحي فقدان الوعي في المياه الضحلة والعميقة ، وقد استُخدما للإشارة إلى أشياء مختلفة، أو استُخدما بشكل متبادل، في مختلف أوساط الرياضات المائية. على سبيل المثال، استُخدم مصطلح فقدان الوعي في المياه الضحلة لوصف فقدان الوعي أثناء الصعود لأن فقدان الوعي يحدث عادةً عندما يصعد الغواص إلى عمق ضحل. ^{[ 33 ] [ 35 ] [ 36 ]}

يتكون الضغط المحيط المؤثر على الغواص من عنصرين: الضغط الجوي وضغط الماء (الضغط الهيدروستاتيكي). يؤدي النزول لمسافة 10 أمتار (33  قدمًا) تحت الماء إلى زيادة الضغط المحيط بمقدار يُعادل تقريبًا الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. لذا، فإن النزول من السطح إلى عمق 10 أمتار (33  قدمًا) تحت الماء يُضاعف الضغط على الغواص. هذا التغير في الضغط يُقلل حجم الحيز المملوء بالغاز إلى النصف. يصف قانون بويل العلاقة بين حجم الحيز الغازي والضغط داخله . ^{[ 1 ] [ 38 ]}

الرضح الضغطي هو تلف مادي يصيب أنسجة الجسم نتيجة اختلاف الضغط بين حيز غازي داخل الجسم أو ملامس له، والغاز أو السائل المحيط به. ^{[ 13 ]} ويحدث عادةً عندما يتعرض الكائن الحي لتغير كبير في الضغط المحيط ، كما هو الحال عند صعود الغواص أو نزوله. أثناء الغوص، تكون فروق الضغط التي تسبب الرضح الضغطي عبارة عن تغيرات في الضغط الهيدروستاتيكي: ^{[ 1 ]}

عادةً ما ينجم الضرر الأولي عن تمدد الأنسجة بشكل مفرط بفعل الشد أو القص، إما مباشرةً بتمدد الغاز في الحيز المغلق، أو بفعل فرق الضغط المنتقل هيدروستاتيكيًا عبر النسيج. وقد يتفاقم تمزق الأنسجة بدخول الغاز إلى النسيج الموضعي أو الدورة الدموية عبر موقع الإصابة الأولي، مما قد يُسبب انسداد الدورة الدموية في مناطق بعيدة، أو يُعيق الوظيفة الطبيعية للعضو. ^{[ 13 ]} يتجلى الرضح الضغطي عمومًا في صورة تأثيرات على الجيوب الأنفية أو الأذن الوسطى، ومرض تخفيف الضغط ، وإصابات فرط ضغط الرئة، والإصابات الناتجة عن الضغط الخارجي. ^{[ 13 ]}

تحدث إصابات الضغط الجوي أثناء النزول نتيجة منع التغير الحر في حجم الغاز في حيز مغلق ملامس للغواص، مما يؤدي إلى فرق في الضغط بين الأنسجة وحيز الغاز، وتتسبب القوة غير المتوازنة الناتجة عن فرق الضغط هذا في تشوه الأنسجة مما يؤدي إلى تمزق الخلايا. ^{[ 13 ]}

تحدث الرضح الضغطي أثناء الصعود أيضًا عندما يُمنع التغير الحر في حجم الغاز في حيز مغلق ملامس للغواص. في هذه الحالة، يُسبب فرق الضغط توترًا في الأنسجة المحيطة يتجاوز قدرتها على التحمل. بالإضافة إلى تمزق الأنسجة، قد يؤدي الضغط الزائد إلى دخول الغازات إلى الأنسجة وانتشارها عبر الجهاز الدوري. ^{[ 13 ]} يُعرف هذا النوع من الرضح الضغطي الرئوي أثناء الصعود أيضًا باسم متلازمة فرط انتفاخ الرئة، وإصابة الرئة الناتجة عن فرط الضغط، وانفجار الرئة. قد تشمل الإصابات اللاحقة الانصمام الغازي الشرياني، واسترواح الصدر، وانتفاخ الرئة في المنصف، والنسيج الخلالي، وتحت الجلد، ولا تحدث جميعها عادةً في الوقت نفسه. ^{[ 38 ]}

يؤدي استنشاق الغاز في الأعماق باستخدام أجهزة التنفس تحت الماء إلى احتواء الرئتين على غاز بضغط أعلى من الضغط الجوي. لذا ، يستطيع الغواص الحر الغوص إلى عمق 10 أمتار (33  قدمًا) والصعود بأمان دون زفير، لأن الغاز الموجود في رئتيه قد استُنشق بضغط جوي، بينما الغواص الذي يستنشق بعمق على عمق 10 أمتار ويصعد دون زفير، تكون رئتاه محتويتين على ضعف كمية الغاز بضغط جوي، ومن المرجح جدًا أن يُصاب بتلف رئوي يُهدد حياته. ^{[ 13 ] [ 38 ]}

قد يؤدي انخفاض الضغط المفاجئ في بيئة الضغط العالي إلى حدوث رضوض ضغطية شديدة، يتبعها تكوّن فقاعات ضغط شديدة وإصابات أخرى ذات صلة. حادثة دولفين بايفورد مثال على ذلك. ^{[ 39 ]}

ألم المفاصل الانضغاطي هو ألم في المفاصل ناتج عن التعرض لضغط محيطي عالٍ بمعدل انضغاط مرتفع نسبيًا. وقد سُجِّلَ على أنه ألم عميق ومستمر في الركبتين والكتفين والأصابع والظهر والوركين والرقبة والأضلاع. قد يكون الألم مفاجئًا وشديدًا في بدايته، وقد يترافق مع شعور بالخشونة في المفاصل. ^{[ 40 ]} يبدأ عادةً على عمق حوالي 60 مترًا من مياه البحر، وتختلف الأعراض تبعًا للعمق ومعدل الانضغاط والحساسية الشخصية. تزداد شدة الألم مع العمق، وقد تتفاقم مع ممارسة الرياضة. يُعد ألم المفاصل الانضغاطي مشكلة شائعة في الغوص العميق، وخاصةً الغوص التشبعي العميق ، حيث قد يُسبب حتى الانضغاط البطيء ظهور الأعراض عند أعماق كافية. وقد أظهر بيتر ب. بينيت وآخرون أن استخدام خليط الغازات الثلاثي (تريمكس) قد يُخفف الأعراض. ^{​​[ 41 ]} ويزول الألم دون آثار طويلة الأمد على عملية تخفيف الضغط. ^{[ 42 ]}

يمكن أن يؤدي توفير غاز التنفس عند الضغط الجوي المحيط إلى إطالة مدة الغوص بشكل كبير، ولكن قد تنجم عن هذا الحل التقني مشاكل أخرى. يزداد امتصاص الغازات الخاملة أيضيًا مع مرور الوقت والضغط، وقد يُسبب كلاهما آثارًا غير مرغوب فيها فورًا، نتيجة وجودها في الحالة الذائبة، مثل التسمم النيتروجيني ومتلازمة الضغط العصبي المرتفع، ^{[ 43 ] [ 44 ]} أو يُسبب مشاكل عند خروجها من المحلول داخل الأنسجة أثناء تخفيف الضغط. ^{[ 45 ]}

تنشأ مشاكل أخرى عند زيادة تركيز الغازات النشطة أيضيًا. تتراوح هذه المشاكل بين التأثيرات السامة للأكسجين عند الضغط الجزئي المرتفع، ^{[ 46 ]} وتراكم ثاني أكسيد الكربون نتيجةً لزيادة جهد التنفس وزيادة المساحة الميتة، ^{[ 47 ]} وتفاقم التأثيرات السامة للملوثات في غاز التنفس بسبب زيادة تركيزها عند الضغوط العالية، ^{[ 48 ]} وتشمل أيضًا تأثيرات على تنظيم التهوية للحفاظ على التوازن الداخلي. ^{[ 49 ]}

مكونات غاز التنفس الخاملة أيضيًا

امتصاص وإطلاق الغازات الخاملة

إحدى هذه المشكلات هي أن المكونات الخاملة لغاز التنفس تذوب في الدم وتنتقل إلى الأنسجة الأخرى بتراكيز أعلى تحت الضغط، وعند خفض الضغط، إذا كان التركيز مرتفعًا بدرجة كافية، فقد يشكل هذا الغاز فقاعات في الأنسجة، بما في ذلك الدم الوريدي، مما قد يسبب الإصابة المعروفة باسم داء تخفيف الضغط، أو "داء الغواصين". يمكن إدارة هذه المشكلة عن طريق تخفيف الضغط ببطء كافٍ للسماح بالتخلص من الغاز وهو لا يزال ذائبًا، ^{[ 45 ]} والتخلص من تلك الفقاعات التي تتشكل وهي لا تزال صغيرة وقليلة بما يكفي لعدم التسبب في ظهور أعراض. ^{​​[ 50 ]}

تتضمن فسيولوجيا تخفيف الضغط تفاعلاً معقداً بين ذوبان الغاز، والضغوط الجزئية، وتدرجات التركيز، والانتشار، والنقل الكلي، وآليات الفقاعات في الأنسجة الحية. ^{[ 51 ]} يُستنشق الغاز عند الضغط الجوي المحيط، ويذوب جزء منه في الدم وسوائل الجسم الأخرى. ويستمر امتصاص الغاز الخامل حتى يصل تركيز الغاز المذاب في الأنسجة إلى حالة توازن مع تركيزه في الرئتين ( انظر: " الغوص التشبعي ")، أو حتى ينخفض ​​الضغط الجوي المحيط إلى أن يصبح تركيز الغازات الخاملة المذابة في الأنسجة أعلى من تركيزها في حالة التوازن، فتبدأ بالانتشار للخارج مجدداً. ^{[ 45 ]}

يعتمد امتصاص الغازات في السوائل على ذوبانية الغاز المحدد في السائل المحدد، وتركيز الغاز، الذي يُقاس عادةً بالضغط الجزئي، ودرجة الحرارة. ^{[ 45 ]} في دراسة نظرية تخفيف الضغط، يُبحث سلوك الغازات المذابة في الأنسجة ويُنمذج لتغيرات الضغط مع مرور الوقت. ^{[ 52 ]} بمجرد ذوبان الغاز، قد يكون توزيعه عن طريق الانتشار ، حيث لا يوجد تدفق كلي للمذيب ، أو عن طريق التروية، حيث يدور المذيب (الدم) حول جسم الغواص، ويمكن للغاز أن ينتشر إلى مناطق موضعية ذات تركيز أقل . مع مرور الوقت الكافي عند ضغط جزئي محدد في غاز التنفس، سيستقر التركيز في الأنسجة، أو يصل إلى التشبع، بمعدل يعتمد على الذوبانية ومعدل الانتشار والتروية. إذا انخفض تركيز الغاز الخامل في غاز التنفس عن تركيزه في أي من الأنسجة، فسيكون هناك ميل لعودة الغاز من الأنسجة إلى غاز التنفس. يُعرف هذا باسم إطلاق الغازات، ويحدث أثناء تخفيف الضغط، عندما يؤدي انخفاض الضغط المحيط أو تغيير غاز التنفس إلى تقليل الضغط الجزئي للغاز الخامل في الرئتين. ^{[ 45 ]}

تعتمد التراكيز الكلية للغازات في أي نسيج معين على تاريخ الضغط وتركيب الغازات. في ظل ظروف التوازن، يكون التركيز الكلي للغازات المذابة أقل من الضغط المحيط، حيث يتم استقلاب الأكسجين في الأنسجة، ويكون ثاني أكسيد الكربون الناتج أكثر قابلية للذوبان. مع ذلك، أثناء انخفاض الضغط المحيط، قد يتجاوز معدل انخفاض الضغط معدل التخلص من الغاز عن طريق الانتشار والتروية، وإذا ارتفع التركيز بشكل كبير، فقد يصل إلى مرحلة تتشكل فيها فقاعات في الأنسجة فائقة التشبع. عندما يتجاوز ضغط الغازات في الفقاعة مجموع الضغوط الخارجية للضغط المحيط والتوتر السطحي الناتج عن سطح التماس بين الفقاعة والسائل، تنمو الفقاعات، وقد يتسبب هذا النمو في تلف الأنسجة. تُعرف الأعراض الناتجة عن هذا التلف باسم داء تخفيف الضغط . ^{[ 45 ]}

إن معدلات الانتشار والتروية الفعلية، وذوبانية الغازات في أنسجة معينة، غير معروفة عمومًا، وتختلف اختلافًا كبيرًا. ومع ذلك، فقد تم اقتراح نماذج رياضية تقارب الوضع الحقيقي بدرجة أو بأخرى، وتُستخدم هذه النماذج للتنبؤ باحتمالية حدوث تكوّن فقاعات مصحوبة بأعراض عند التعرض لضغط معين. ^{[ 52 ]}

التخدير بالغاز الخامل

باستثناء الهيليوم وربما النيون ، فإن جميع الغازات التي يمكن استنشاقها لها تأثير مخدر تحت الضغط، وإن كان بدرجات متفاوتة. ^{[ 43 ] [ 14 ]} يُنتج التخدير حالة مشابهة للسكر (تسمم الكحول)، أو استنشاق أكسيد النيتروز . قد يحدث أثناء الغطس في المياه الضحلة، ولكنه لا يصبح ملحوظًا عادةً على أعماق تقل عن 30 مترًا (100 قدم) . ^{[ 53 ] [ 54 ]} 

يكون التأثير أكبر باستمرار للغازات ذات الذوبانية العالية في الدهون ، وهناك أدلة قوية على وجود علاقة آلية بين هاتين الخاصيتين. ^{[ 43 ]} مع ازدياد العمق، قد يصبح الخلل العقلي خطيرًا. يستطيع الغواصون التأقلم مع بعض آثار التخدير، لكن من المستحيل اكتساب مناعة ضده . يؤثر التخدير على جميع الغواصين، على الرغم من أن قابلية الإصابة به تختلف اختلافًا كبيرًا من غطسة إلى أخرى، وبين الأفراد. ^{[ 55 ]}

يبدو أن التخدير يزول تمامًا في غضون دقائق قليلة بالصعود إلى عمق أقل، دون أي آثار طويلة الأمد. لذا، نادرًا ما يتحول التخدير أثناء الغوص في المياه المفتوحة إلى مشكلة خطيرة طالما أن الغواصين على دراية بأعراضه وقادرون على الصعود للسيطرة عليه. ونظرًا لتأثيراته على الإدراك، قد يصعب التعرف على بداية التخدير. ^{[ 56 ] [ 57 ]} في أبسط حالاته، يؤدي التخدير إلى تخفيف القلق  - شعور بالهدوء والسيطرة على البيئة. هذه التأثيرات مطابقة بشكل أساسي لتركيزات مختلفة من أكسيد النيتروز. كما أنها تشبه (وإن لم تكن بنفس التطابق) تأثيرات الكحول أو القنب وأدوية البنزوديازيبين المعروفة مثل الديازيبام والألبرازولام . ^{[ 58 ]} لا تُعد هذه التأثيرات ضارة إلا إذا تسببت في عدم إدراك خطر مباشر وعدم معالجته. بمجرد استقرار الحالة، تظل التأثيرات بشكل عام كما هي عند عمق معين، وتزداد سوءًا فقط إذا غامر الغواص بالغوص إلى أعماق أكبر. ^{[ 59 ]}

تتمثل أخطر جوانب التخدير في ضعف القدرة على الحكم، والقدرة على القيام بمهام متعددة، والتنسيق، وفقدان القدرة على اتخاذ القرارات والتركيز. تشمل الآثار الأخرى الدوار واضطرابات بصرية أو سمعية. قد تسبب هذه المتلازمة شعورًا بالنشوة، أو الدوار، أو القلق الشديد، أو الاكتئاب، أو جنون الارتياب ، وذلك تبعًا للغواص وتاريخه الطبي أو الشخصي. في الحالات الأكثر خطورة، قد يشعر الغواص بثقة مفرطة، متجاهلًا ممارسات الغوص الآمنة المعتادة. ^{[ 60 ]} يُعد تباطؤ النشاط الذهني، كما يتضح من زيادة زمن رد الفعل وزيادة الأخطاء في الوظائف الإدراكية، من الآثار التي تزيد من خطر سوء إدارة الغواص لأي حادث. ^{[ 61 ]} يقلل التخدير من الإحساس بعدم الراحة من البرد والارتعاش، وبالتالي يؤثر على إنتاج حرارة الجسم، مما يسمح بانخفاض أسرع في درجة حرارة الجسم الأساسية في الماء البارد، مع انخفاض الوعي بالمشكلة المتفاقمة. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]}

تتمثل إدارة التخدير ببساطة في الصعود إلى أعماق أقل؛ فتختفي آثاره في غضون دقائق. ^{[ 64 ]} في حال حدوث مضاعفات أو وجود حالات أخرى، يُعد الصعود دائمًا هو الاستجابة الأولية الصحيحة. إذا استمرت المشاكل، فمن الضروري إيقاف الغوص. يمكن اتباع جدول تخفيف الضغط ما لم تتطلب حالات أخرى مساعدة طارئة. ^{[ 65 ]}

إن أبسط طريقة لتجنب التسمم النيتروجيني هي أن يحد الغواص من عمق الغوص. وبما أن التسمم النيتروجيني يزداد حدةً مع ازدياد العمق، فإن الغواص الذي يلتزم بأعماق أقل يمكنه تجنب التسمم الحاد. معظم هيئات منح شهادات الغوص الترفيهي لا تمنح شهادات للغواصين المبتدئين إلا حتى عمق 18 مترًا (60 قدمًا) ، وعند هذه الأعماق لا يشكل التسمم النيتروجيني خطرًا كبيرًا. عادةً ما يتطلب الحصول على شهادة الغوص حتى عمق 30 مترًا (100 قدم) باستخدام الهواء تدريبًا إضافيًا، ويتضمن هذا التدريب شرحًا للتسمم النيتروجيني وآثاره وكيفية التعامل معه. تقدم بعض هيئات تدريب الغوص دورات تدريبية متخصصة لإعداد الغواصين الترفيهيين للغوص حتى عمق 40 مترًا (130 قدمًا) ، وغالبًا ما تتضمن هذه الدورات مزيدًا من الدروس النظرية وبعض التدريب العملي على الغوص العميق تحت إشراف دقيق. ^{[ 66 ]} قد تمنع منظمات الغوص التي تُدرّب على الغوص لأعماق تتجاوز الغوص الترفيهي، استخدام الغازات التي تُسبب تخديرًا مفرطًا في الأعماق لدى الغواص العادي، وتشجع بشدة على استخدام مخاليط غازات تنفس أخرى تحتوي على الهيليوم بدلًا من بعض أو كل النيتروجين الموجود في الهواء - مثل التريمكس والهيليوكس - لأن الهيليوم ليس له تأثير مُخدّر. ^{[ 43 ] [ 67 ]} يُعد استخدام هذه الغازات جزءًا من الغوص التقني ويتطلب مزيدًا من التدريب والحصول على شهادة. ^{[ 68 ]} قد يصل الغوص التجاري المُزوّد ​​بالهواء من السطح بشكل روتيني إلى أعماق 50 مترًا باستخدام الهواء، ولكن تتم مراقبة الغواص من السطح ويتم حماية مجرى الهواء بواسطة قناع وجه كامل أو خوذة. ^{[ 69 ]}        

أظهرت الاختبارات أن جميع الغواصين يتأثرون بتسمم النيتروجين، وإن كانت آثاره أقل حدة لدى البعض. ورغم إمكانية تمكّن بعض الغواصين من التعامل معه بشكل أفضل من غيرهم بفضل قدرتهم على التأقلم مع هذا التأثير، إلا أن آثاره السلوكية الكامنة تبقى قائمة. [ ^{70 ] [ 71 ] [ 72 ] وتُعدّ} هذه الآثار خطيرة بشكل خاص لأن الغواص قد يشعر بأنه لا يعاني من التسمم، ولكنه مع ذلك يكون متأثرًا به. ^{[ 56 ]}

متلازمة الضغط العصبي المرتفع

متلازمة الضغط العصبي المرتفع (HPNS) هي اضطراب عصبي وفسيولوجي يصيب الغواصين عند نزولهم إلى عمق يزيد عن 150 مترًا (500 قدم) باستخدام غاز تنفس يحتوي على الهيليوم. وتعتمد الأعراض التي يعاني منها الغواص، وشدتها، على سرعة النزول والعمق ونسبة الهيليوم. ^{[ 44 ]} 

تشمل أعراض متلازمة الضغط العالي للدماغ الرعاش ، والارتعاشات العضلية ، والنعاس ، وتغيرات في تخطيط الدماغ الكهربائي، ^{[ 73] واضطرابات بصرية، وغثيان، ودوار، وتراجع في الأداء الذهني. [44 ]} تتكون ^{هذه المتلازمة من} عنصرين : أحدهما ناتج عن سرعة الضغط ، ^{والآخر عن الضغط} المطلق. قد تحدث آثار الضغط عند النزول إلى ما دون 150 مترًا (500 قدم) بمعدلات تزيد عن بضعة أمتار في الدقيقة، ولكنها تتلاشى في غضون ساعات قليلة بمجرد استقرار الضغط. تصبح آثار العمق ملحوظة عند أعماق تتجاوز 300 متر (1000 قدم) ، وتستمر بغض النظر عن مدة البقاء على هذا العمق. ^{[ 44 ]} تختلف قابلية الغواصين للإصابة بمتلازمة الضغط العالي للدماغ اختلافًا كبيرًا باختلاف الأفراد، ولكنها لا تختلف كثيرًا بين غطسات مختلفة لنفس الغواص. ^{[ 44 ]}  

من المرجح أنه لا يمكن الوقاية تمامًا من متلازمة الضغط الهوائي العالي، ولكن توجد طرق فعالة لتأخير ظهور الأعراض أو تغييرها. ^{[ 44 ] [ 75 ]} وقد وُجد أن معدلات الضغط البطيئة أو إضافة فترات توقف أثناء الضغط تمنع الانخفاضات الأولية الكبيرة في الأداء، ^{[ 44 ] [ 76 ]} بينما يؤدي إدخال غازات أخرى في خليط الهيليوم والأكسجين، مثل النيتروجين أو الهيدروجين، إلى كبح التأثيرات العصبية. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]}

سمية الغاز عالي الضغط

تطورت فسيولوجيا الإنسان لتتلاءم مع ظروف الضغط الجوي قرب مستوى سطح البحر. ويمكن أن يكون للغازات الجوية عند ضغوط أعلى بكثير آثار سامة تختلف باختلاف نوع الغاز وضغطه الجزئي، وتعتمد الآثار السامة لملوثات غاز التنفس على تركيزها، الذي يتناسب طرديًا مع الضغط الجزئي، وبالتالي مع العمق. ^{[ 80 ] [ 81 ]}

سمية الأكسجين

ينتج عن استنشاق ضغوط جزئية مرتفعة من الأكسجين فرط التأكسج ، أي زيادة نسبة الأكسجين في أنسجة الجسم. ويتأثر الجسم بطرق مختلفة تبعًا لنوع التعرض. يحدث تسمم الجهاز العصبي المركزي نتيجة التعرض لفترة قصيرة لضغوط جزئية عالية من الأكسجين أعلى من الضغط الجوي. أما تسمم الرئتين فقد ينتج عن التعرض لفترات أطول لمستويات مرتفعة من الأكسجين أثناء العلاج بالأكسجين عالي الضغط. وتشمل الأعراض التي قد تظهر: فقدان التوجه، وصعوبة التنفس، وتغيرات في الرؤية مثل قصر النظر . كما أن التعرض لفترات طويلة لضغوط جزئية من الأكسجين أعلى من المعدل الطبيعي، أو التعرض لفترات قصيرة لضغوط جزئية عالية جدًا، قد يُسبب تلفًا تأكسديًا لأغشية الخلايا ، وانهيار الحويصلات الهوائية في الرئتين، وانفصال الشبكية ، ونوبات صرع . ويتم علاج تسمم الأكسجين عن طريق تقليل التعرض لمستويات الأكسجين المرتفعة. وتشير الدراسات إلى أنه على المدى الطويل، يُمكن التعافي بشكل كامل من معظم أنواع تسمم الأكسجين. ^{[ 82 ]}

توجد بروتوكولات لتجنب آثار فرط الأكسجين في المجالات التي يتم فيها استنشاق الأكسجين بضغوط جزئية أعلى من المعتاد، بما في ذلك الغوص تحت الماء باستخدام غازات التنفس المضغوطة . وقد أدت هذه البروتوكولات إلى انخفاض ملحوظ في حالات النوبات الناتجة عن سمية الأكسجين. ^{[ 83 ]}

تتجلى سمية الأكسجين في الجهاز العصبي المركزي بأعراض مثل تغيرات في الرؤية (خاصةً ضيق مجال الرؤية )، وطنين الأذن ، والغثيان ، وارتعاش العضلات (خاصةً في الوجه)، وتغيرات سلوكية (التهيج، والقلق ، والتشوش)، والدوار . وقد يتبع ذلك نوبة صرع توترية-ارتجاجية تتكون من مرحلتين: انقباض عضلي شديد لعدة ثوانٍ (المرحلة التوترية)؛ يليه تشنجات سريعة من ارتخاء وانقباض عضلي متناوب ينتج عنه ارتعاشات تشنجية ( المرحلة الارتجاجية ). وتنتهي النوبة بفترة من فقدان الوعي ( حالة ما بعد النوبة ). ^{[ 84 ] [ 46 ]} يعتمد بدء النوبة على الضغط الجزئي للأكسجين في غاز التنفس ومدة التعرض. ومع ذلك، فإن مدة التعرض قبل بدء النوبة غير قابلة للتنبؤ، حيث أظهرت الاختبارات تباينًا واسعًا، سواء بين الأفراد، أو لدى نفس الشخص من يوم لآخر. ^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]} بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من العوامل الخارجية، مثل الغطس تحت الماء، والتعرض للبرد، وممارسة الرياضة، تقلل من الوقت اللازم لظهور أعراض الجهاز العصبي المركزي. ^{[ 87 ]} يرتبط انخفاض القدرة على التحمل ارتباطًا وثيقًا باحتباس ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}

تنتج أعراض التسمم الرئوي عن التهاب يبدأ في المسالك الهوائية المؤدية إلى الرئتين ثم ينتشر داخلهما. ^{[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]} يبدأ هذا الالتهاب بشعور خفيف بالوخز عند الشهيق، ثم يتطور إلى سعال متكرر. ^{[ 91 ]} إذا استمر استنشاق ضغوط جزئية مرتفعة من الأكسجين، يشعر المريض بحرقة خفيفة عند الشهيق مصحوبة بسعال لا يمكن السيطرة عليه وضيق في التنفس من حين لآخر. ^{[ 91 ]} عادةً ما يحدث انخفاض في كمية الهواء التي يمكن للرئتين استيعابها ( السعة الحيوية )، وتغيرات في وظيفة الزفير ومرونة الرئة. ^{[ 93 ] [ 94 ]} عندما يكون التعرض للأكسجين بضغط يزيد عن 0.5 بار (50 كيلو باسكال) متقطعًا، فإنه يسمح للرئتين بالتعافي ويؤخر ظهور أعراض التسمم. ^{[ 95 ]}  

سمية ثاني أكسيد الكربون

يؤدي التنفس الطبيعي لدى الغواصين إلى نقص التهوية السنخية مع عدم كفاية التخلص من ثاني أكسيد الكربون (فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم). ^{[ 1 ]} تشير الأعمال التجريبية التي أجراها إي إتش لانفير في وحدة الغوص التجريبية التابعة للبحرية الأمريكية إلى ما يلي: ^{[ 1 ]}

• لم يُسهم ارتفاع الضغط الجزئي للأكسجين المستنشق عند 4 ضغط جوي (400 كيلو باسكال) بأكثر من 25% من الزيادة في ثاني أكسيد الكربون في نهاية الزفير فوق القيم المُسجلة عند نفس معدل الجهد أثناء تنفس الهواء أسفل سطح الأرض مباشرةً. ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 47 ]}  
• كان ازدياد جهد التنفس السبب الرئيسي لارتفاع مستوى ثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية عند التعرض لضغوط أعلى من 1 ضغط جوي (100 كيلو باسكال) ، كما يتضح من النتائج عند استبدال النيتروجين بالهيليوم عند ضغط 4 ضغط جوي (400 كيلو باسكال) . ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 47 ]}    
• يشير عدم كفاية استجابة الجهاز التنفسي للجهد إلى حقيقة أنه على الرغم من أن قيم ثاني أكسيد الكربون في نهاية الزفير كانت ضمن المعدل الطبيعي، إلا أنها ارتفعت بشكل ملحوظ مع الجهد حتى عندما كان الغواصون يتنفسون الهواء على عمق بضعة أقدام فقط. ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 47 ]}

لا يتم طرد ثاني أكسيد الكربون بالكامل عندما يزفر الغواص في جهاز يحتوي على مساحة ميتة ميكانيكية، مثل أنبوب التنفس أو قناع الغوص الذي يغطي الوجه بالكامل أو خوذة الغوص ، ثم يستنشق من المساحة الميتة. ^{[ 47 ]}

في الغوص باستخدام أجهزة إعادة التنفس ذات الدائرة المغلقة أو شبه المغلقة ، يجب إزالة ثاني أكسيد الكربون الزفير من جهاز التنفس، عادةً بواسطة جهاز تنقية يحتوي على مركب كيميائي صلب ذي ألفة عالية لثاني أكسيد الكربون _، مثل الجير الصوداوي . ^{[ 89 ]} إذا لم تتم إزالته من الجهاز، فسيؤدي ذلك إلى زيادة تركيزه في الهواء المستنشق، وهي ظاهرة تُعرف باختراق جهاز التنقية. عندما يبذل الغواص مجهودًا بدنيًا أكبر، يزداد إنتاج ثاني أكسيد الكربون نتيجةً لزيادة النشاط الأيضي. تزداد كثافة غاز التنفس في الأعماق، مما يزيد الجهد المطلوب للاستنشاق والزفير ( جهد التنفس )، ويجعل التنفس أكثر صعوبة وأقل كفاءة. ^{[ 1 ]} كما أن زيادة كثافة الغاز تُقلل من كفاءة اختلاط الغازات داخل الرئتين، مما يزيد فعليًا من المساحة الميتة الفسيولوجية. ^{[ 47 ]} قد يصل جهد التنفس إلى حدٍّ يُستنفد فيه كل الطاقة المتاحة للتنفس. بعد هذا الحد، لا يمكن التخلص من ثاني أكسيد الكربون بنفس سرعة إنتاجه. ^{[ 15 ]}

قد يلجأ الغواص إلى تقليل كمية الهواء في الزفير عمدًا ، وهي تقنية تُعرف باسم "التنفس المتقطع". يُعدّ التنفس المتقطع أسلوبًا مثيرًا للجدل لترشيد استهلاك غاز التنفس عند استخدام أجهزة الغوص ذات الدائرة المفتوحة ، ويتمثل في التوقف المؤقت أو حبس النفس بين الشهيق والزفير (أي "تخطي" نفس). يؤدي هذا إلى استهلاك كمية أكبر من الأكسجين المتاح في غاز التنفس، ولكنه يزيد من مستوى ثاني أكسيد الكربون في غاز الحويصلات الهوائية ويبطئ من إخراجه من الدورة الدموية. ^{[ 101 ]} ويُعدّ التنفس المتقطع غير مُجدٍ بشكل خاص مع أجهزة إعادة التنفس ، حيث تعمل عملية التنفس على إعادة تدوير الغاز داخل "الدائرة" للتخلص من ثاني أكسيد الكربون، إذ يُعاد تدوير غاز الزفير، وبالتالي لا يُقلل التنفس المتقطع من استهلاك الأكسجين. ^{[ 102 ]}

تشمل أعراض وعلامات فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم في مراحله المبكرة احمرار الجلد، ونبض قوي ، وسرعة التنفس ، وضيق التنفس ، وارتعاش العضلات، وانخفاض النشاط العصبي، والصداع، والتشوش الذهني والخمول، وزيادة النتاج القلبي، وارتفاع ضغط الدم الشرياني، وميلًا لاضطراب النظم القلبي . ^{[ 103 ] [ 104 ]} في حالات فرط ثنائي أكسيد الكربون الشديد، تتطور الأعراض إلى فقدان التوجه، والذعر ، وفرط التنفس ، والتشنجات ، وفقدان الوعي ، وفي النهاية الموت . ^{[ 105 ] [ 106 ]}

يُعتقد أيضاً أن فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم عامل يزيد من خطر الإصابة بتشنجات تسمم الأكسجين في الجهاز العصبي المركزي. ^{[ 15 ]}

سمية الملوثات في غاز التنفس

تعتمد سمية الملوثات عمومًا على تركيزها والتعرض لها ( الجرعة )، وبالتالي تزداد آثارها مع ارتفاع الضغط المحيط. ونتيجةً لذلك، يجب أن تكون الحدود المسموح بها لتركيز الملوثات السامة في غازات التنفس المستخدمة في العلاج بالأكسجين عالي الضغط أقل نسبيًا مقارنةً بالاستخدام في الضغط السطحي العادي. كما يتأثر التركيز المسموح به بما إذا كان التأثير تراكميًا، وما إذا كان هناك حدٌّ أدنى للتعرض المقبول على المدى الطويل. ^{[ 80 ] [ 81 ]}

تشمل ملوثات غازات التنفس التي تُعدّ مشكلة معروفة في الغوص تحت الماء ثاني أكسيد الكربون ، وأول أكسيد الكربون ، والهيدروكربونات المتطايرة التي قد تتسرب من عملية الضغط، وكبريتيد الهيدروجين ، الذي يُعدّ مشكلة رئيسية في صناعة النفط البحرية. ^{[ 107 ] [ 48 ]}

جهد التنفس

قد تؤدي فروق الضغط الهيدروستاتيكي بين داخل الرئة ومصدر غاز التنفس، وزيادة كثافة غاز التنفس نتيجةً للضغط المحيط، وزيادة مقاومة التدفق نتيجةً لارتفاع معدلات التنفس، إلى زيادة جهد التنفس وإجهاد عضلات الجهاز التنفسي. ^{[ 2 ]} يمكن تعويض جهد التنفس المرتفع جزئيًا بزيادة تحمل ثاني أكسيد الكربون، وقد يؤدي في النهاية إلى الحماض التنفسي . تشمل العوامل المؤثرة على جهد التنفس في جهاز التنفس تحت الماء كثافة الغاز ولزوجته، ومعدلات التدفق، وضغط الفتح (فرق الضغط اللازم لفتح صمام الطلب)، والضغط الخلفي على صمامات العادم. ^{[ 109 ]}

التنفس بالضغط الإيجابي والسلبي

يمكن تحمل اختلافات طفيفة في الضغط بين الغاز المُوَصَّل والضغط المحيط عند الرئتين. قد تنتج هذه الاختلافات عن وضعية الغواص في الماء، أو وضعية الحجاب الحاجز الذي يُشغِّل صمام الطلب، أو وضعية الرئتين المضادتين في جهاز إعادة التنفس، أو ضغط فتح صمام العادم ومقاومته للتدفق، أو زيادة الضغط المتعمدة في قناع الوجه الكامل أو الخوذة، بهدف تقليل خطر تسرب الماء الملوث إلى جهاز التنفس عبر صمام العادم. لا يؤثر التغير المستمر في فرق الضغط المُوَصَّل على جهد التنفس للجهاز - إذ يتحرك الرسم البياني بأكمله لأعلى أو لأسفل دون تغيير في المساحة المغلقة - ولكن الجهد المطلوب للشهيق والزفير يختلف بشكل ملحوظ عن المعتاد، وإذا كان مفرطًا، فقد يجعل التنفس صعبًا أو مستحيلاً. يمكن أن يؤدي التحميل السلبي الساكن على الرئتين، حيث يكون الضغط المحيط على الصدر أكبر من ضغط إمداد غاز التنفس عند الفم، إلى زيادة جهد التنفس بسبب انخفاض مرونة أنسجة الرئة الرخوة. تعمل أنظمة التدفق الحر بطبيعتها تحت ضغط موجب بالنسبة للرأس، مما يسمح بتدفق هواء العادم بشكل مُتحكم فيه، ولكن ليس بالضرورة إلى الرئتين لدى الغواص في وضعية الوقوف. أما التنفس باستخدام أنبوب التنفس فهو بطبيعته تنفس بضغط سلبي، حيث تكون رئتا السباح مغمورتين جزئيًا على الأقل تحت سطح الماء. ^{[ 15 ]}

يبدو أن هناك صلة بين التنفس بالضغط السلبي وزيادة خطر الإصابة بالوذمة الرئوية أثناء الغوص، إذ يزيد ذلك من فرق الضغط بين الدم والغاز في الحويصلات الهوائية. ^{[ 110 ]} ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا أثناء ممارسة الرياضة. وقد يؤدي التأثير نفسه إلى زيادة احتقان الجيوب الأنفية لدى الغواصين الذين يستخدمون أجهزة إعادة التنفس. ^{[ 111 ]}

استخدام أجهزة التنفس

في علم وظائف الأعضاء ، يُعرف الحيز الميت بأنه حجم الهواء المستنشق الذي لا يشارك في عملية تبادل الغازات، إما لأنه يبقى في المسالك الهوائية، أو لأنه يصل إلى الحويصلات الهوائية غير المروية أو ذات التروية الضعيفة . بعبارة أخرى، لا يتوفر كل الهواء في كل نفس لتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون . تتنفس الثدييات من خلال رئتيها، مما يهدر ذلك الجزء من الشهيق الذي يبقى في المسالك الهوائية حيث لا يحدث تبادل للغازات. عند البشر، لا يطرأ أي تغيير على مستويات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في حوالي ثلث كل نفس في حالة الراحة. ^{[ 112 ]}

الحيز الميت في جهاز التنفس هو المساحة الموجودة داخل الجهاز والتي يجب أن يتدفق فيها غاز التنفس في كلا الاتجاهين أثناء الشهيق والزفير، مما يزيد من الجهد التنفسي اللازم للحصول على نفس كمية الهواء أو غاز التنفس القابل للاستخدام، ويزيد من خطر تراكم ثاني أكسيد الكربون نتيجة التنفس السطحي. وهو في الواقع امتداد خارجي للحيز الميت الفسيولوجي. ^{[ 112 ]}

يمكن تقليل المساحة الميتة الميكانيكية من خلال ميزات التصميم مثل:

• باستخدام ممرات منفصلة للسحب والعادم مع صمامات أحادية الاتجاه مثبتة في قطعة الفم، يقتصر الحيز الميت على المسافة بين صمامات عدم الرجوع وفم المستخدم و/أو أنفه. ويمكن تقليل الحيز الميت الإضافي عن طريق الحفاظ على حجم هذا الحيز الخارجي الميت في أصغر حجم ممكن، ولكن يجب ألا يؤدي ذلك إلى زيادة جهد التنفس بشكل مفرط. ^{[ 113 ]}
• مع قناع وجه كامل أو خوذة غوص حسب الطلب :
  • الحفاظ على الحجم الداخلي صغيرًا، ^{[ 113 ]} أو
  • يحتوي على قناع أنفي فموي داخلي صغير داخل القناع الرئيسي، يفصل مجرى التنفس الخارجي عن باقي الجزء الداخلي للقناع. ^{[ 113 ]}
  • في بعض طرازات أقنعة الوجه الكاملة، يتم تركيب قطعة فموية مشابهة لتلك المستخدمة في منظمات الغوص، والتي تؤدي نفس وظيفة قناع الأنف والفم، ولكنها تُقلل حجم الفراغ الميت الخارجي، مما يُجبر على التنفس من الفم. ويؤدي صغر حجم الفراغ حول الفم إلى زيادة تشوه الكلام، مما قد يُصعّب التواصل. ^{[ 113 ]}
  • تتجنب خوذات الغوص ذات التدفق الحر مشكلة المساحة الميتة بتوفير كمية هواء تفوق بكثير ما يحتاجه الغواص، وإلغاء الحجرة الأنفية الفموية. وهذا يجعل كامل الجزء الداخلي للخوذة بمثابة هواء نقي، حيث يتم تجديده بشكل كافٍ أثناء وبعد كل زفير، على حساب زيادة استهلاك الغاز بشكل ملحوظ في أنظمة الدائرة المفتوحة. كما يقلل هذا من زيادة جهد التنفس الناتج عن مقاومة جهاز التنفس لتدفق الهواء، مما يجعل خوذات التدفق الحر مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي قد تتطلب مجهودًا بدنيًا كبيرًا. ^{[ 114 ]}

تُشكّل الفقاريات البحرية التي تتنفس الهواء، والتي عادت إلى المحيط من أصول برية ، مجموعة متنوعة تشمل ثعابين البحر ، والسلاحف البحرية ، والإغوانا البحرية ، وتماسيح المياه المالحة ، وطيور البطريق ، والفقمات ، والحيتان ، وثعالب البحر ، وخراف البحر ، والأطوم . تُجري معظم الفقاريات الغاطسة غطسات قصيرة وضحلة نسبيًا. تغوص ثعابين البحر والتماسيح والإغوانا البحرية فقط في المياه الساحلية، ونادرًا ما تغوص إلى أعماق تتجاوز 10 أمتار، إلا أن هاتين المجموعتين قادرتان على الغوص إلى أعماق أكبر ولمدة أطول. تغوص طيور البطريق الإمبراطور بانتظام إلى أعماق تتراوح بين 400 و500 متر لمدة تتراوح بين 4 و5 دقائق، وغالبًا ما تغوص لمدة تتراوح بين 8 و12 دقيقة، ويبلغ أقصى قدرة تحمل لها حوالي 22 دقيقة. تبقى فقمات الفيل في البحر لمدة تتراوح بين شهرين وثمانية أشهر، وتغوص باستمرار، حيث تقضي 90% من وقتها تحت الماء، بمتوسط ​​20 دقيقة لكل غطسة، مع أقل من 3 دقائق على السطح بين الغطسات. تبلغ أقصى مدة غوص لها حوالي ساعتين، وتتغذى عادةً على أعماق تتراوح بين 300 و600 متر، مع إمكانية تجاوزها أعماق 1600 متر. وقد وُجد أن حيتان منقار الزجاجة تغوص بانتظام للبحث عن الطعام على أعماق تتراوح بين 835 و1070 مترًا، وتبقى تحت الماء لمدة 50 دقيقة تقريبًا. وقد سُجّل لها أقصى عمق 1888 مترًا، وأقصى مدة غوص 85 دقيقة. ^{[ 122 ]}      

تواجه الفقاريات البحرية التي تتنفس الهواء وتغوص بحثًا عن الطعام تحدياتٍ تتعلق بتأثيرات الضغط في الأعماق، وضرورة البحث عن غذائها واصطياده. ويمكن ربط التكيفات مع الغوص بهذين المتطلبين. فالتكيفات مع الضغط تشمل التعامل مع التأثيرات الميكانيكية للضغط على التجاويف المملوءة بالغاز، وتغيرات ذوبان الغازات تحت الضغط، والتأثيرات المباشرة المحتملة للضغط على عملية الأيض. أما التكيفات مع قدرة حبس النفس فتشمل تعديلات على عملية الأيض، والتروية الدموية، وتحمل ثاني أكسيد الكربون، وسعة تخزين الأكسجين. ^{[ 122 ]}

تغوص معظم الثدييات البحرية عادةً ضمن حدود غوصها الهوائي، لأن ذلك يقلل من فترة التعافي على السطح أو بالقرب منه، ويسمح بقضاء وقت إجمالي أكبر تحت الماء، ولكن بعض الأنواع، بما في ذلك بعض الحيتان ذات المنقار، تغوص بشكل روتيني لفترات تتطلب استقلابًا لاهوائيًا يؤدي إلى تراكم كبير للأكسجين، مما يستلزم فترة تعافي طويلة بين الغطسات. ^{[ 123 ]}

زادت الفقاريات الغاطسة من كمية الأكسجين المخزنة في أنسجتها الداخلية. يتكون هذا المخزون من ثلاثة عناصر: الأكسجين الموجود في هواء الرئتين، والأكسجين المخزن في الهيموجلوبين في الدم، والأكسجين المخزن في الميوغلوبين في أنسجة العضلات. تحتوي عضلات ودم الفقاريات الغاطسة على تركيزات أعلى من الهيموجلوبين والميوغلوبين مقارنةً بالحيوانات البرية. يصل تركيز الميوغلوبين في عضلات الحركة لدى الفقاريات الغاطسة إلى 30 ضعفًا مقارنةً بنظيراتها البرية. يزداد الهيموجلوبين نتيجةً لزيادة كمية الدم نسبيًا، وارتفاع نسبة خلايا الدم الحمراء فيه، مقارنةً بالحيوانات البرية. تُسجل أعلى القيم لدى الثدييات التي تغوص لأعمق وأطول مدة. يكون حجم الدم كبيرًا نسبيًا مقارنةً بكتلة الجسم، ويمكن زيادة محتوى الهيموجلوبين في الدم أثناء الغوص من خلال خلايا الدم الحمراء المخزنة في الطحال. ^{[ 122 ]}

يُعدّ حجم الجسم عاملاً مؤثراً في القدرة على الغوص. فكلما زادت كتلة الجسم، انخفض معدل الأيض نسبياً، بينما يتناسب تخزين الأكسجين طردياً مع كتلة الجسم، لذا يُفترض أن تتمكن الحيوانات الأكبر حجماً من الغوص لفترات أطول، مع ثبات العوامل الأخرى. كما تؤثر كفاءة السباحة على القدرة على الغوص، إذ يتطلب انخفاض مقاومة الماء وارتفاع كفاءة الدفع طاقة أقل لنفس الغوصة. وغالباً ما تُستخدم الحركة السريعة والانزلاقية لتقليل استهلاك الطاقة، وقد تتضمن استخدام الطفو الموجب أو السالب لتوليد جزء من الطاقة اللازمة للصعود أو الهبوط. ^{[ 122 ]}

يُعدّ الإلمام ببعض أساسيات علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء ضروريًا لفهم تأثيرات الغوص على جسم الإنسان، وآليات الإصابات المتوقعة التي قد تحدث أثناء الغوص، والاستجابة اللازمة في حال وقوعها. يُشكّل علم وظائف الأعضاء الخاص بالغوص جزءًا من التدريب التمهيدي للغواصين المحترفين، ولكنه قد يختلف بالنسبة للغواصين الهواة، حيث تُقدّم بعض جهات منح الشهادات الحد الأدنى المطلوب للحصول على الشهادة المطلوبة. قد يختلف نطاق ومستوى التفصيل بين مُقدّمي التدريب وجهات منح الشهادات، وعادةً ما يكون بمستوى تفصيل يُقارب مستوى المرحلة الثانوية. فيما يلي بعض المواضيع الفرعية المطلوبة عادةً. ^{[ 124 ]}

جوانب من علم وظائف الأعضاء الأساسية اللازمة لفهم كافٍ لتأثيرات الغوص على جسم الإنسان وآلية إصابات الغوص. ^{[ 124 ]}

• الأيض – مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية 
  • الأعضاء – مجموعة من الأنسجة ذات الوظائف المتشابهة 
  • الأنسجة - مجموعة من الخلايا المتشابهة التي تؤدي وظيفة محددة 
• الجهاز الدوري – جهاز عضوي مسؤول عن دوران الدم في الحيوانات 
  • الدم – سائل الجسم الموجود في الجهاز الدوري 
  • القلب - عضو موجود في الإنسان والحيوانات الأخرى 
    • عيب الحاجز الأذيني ، المعروف أيضًا باسم الثقبة البيضوية المفتوحة - عيب خلقي في القلب لدى الإنسان موجود عند الولادة 
  • التروية الدموية – مرور السوائل عبر الجهاز الدوري أو اللمفاوي إلى عضو أو نسيج 
  • الدورة الدموية الرئوية – جزء من الجهاز الدوري للفقاريات 
    • التحويلة الرئوية – تجاوز الشعيرات الدموية الرئوية بواسطة الدم غير المؤكسج 
  • الدورة الدموية الجهازية – جزء من الجهاز القلبي الوعائي الذي ينقل الدم عبر معظم أنحاء الجسم 
• الجهاز العضلي الهيكلي – جهاز عضوي يمنح الإنسان القدرة على الحركة 
• الجهاز العصبي – جزء من الحيوان يقوم بتنسيق الحركات والإحساسات 
  • الجهاز العصبي المركزي – الدماغ والحبل الشوكي 
  • الأذن - عضو السمع والتوازن 
• التنفس (علم وظائف الأعضاء) - تبادل الغازات بين البيئة والأنسجة 
  • الحاجز الدموي الهوائي – غشاء يفصل الهواء السنخي عن الدم في الشعيرات الدموية الرئوية 
  • التنفس – عملية تحريك الهواء داخل وخارج الرئتين 
  • التحكم في التهوية – التحكم في التنفس 
  • الحيز الميت (علم وظائف الأعضاء) - حجم الهواء المستنشق غير المشارك في تبادل الغازات 
  • تبادل الغازات – عملية انتشار الغازات عبر غشاء بيولوجي 
  • فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم ، المعروف أيضًا باسم احتباس _{ثاني أكسيد الكربون} - مستويات عالية بشكل غير طبيعي من ثاني أكسيد الكربون في الأنسجة 
  • نقص ثاني أكسيد الكربون في الدم – حالة انخفاض نسبة ثاني أكسيد الكربون في الدم 
  • نقص الأكسجة – حالة طبية تتمثل في نقص الأكسجين في الأنسجة 
  • تشنج الحنجرة – انقباض لا إرادي للأحبال الصوتية يعيق عملية الشهيق 
  • نسبة التبادل التنفسي – النسبة بين إنتاج ثاني أكسيد الكربون الأيضي وامتصاص الأكسجين 
  • معامل التنفس - نسبة ثاني أكسيد الكربون الذي ينتجه الجسم إلى الأكسجين الذي يستهلكه الجسم 
  • الجهاز التنفسي – نظام بيولوجي في الحيوانات والنباتات لتبادل الغازات 

جوانب من علم وظائف الأعضاء الأساسية اللازمة لفهم كافٍ لتقنيات الإسعافات الأولية المناسبة للحصول على شهادة غواص تجاري وبعض شهادات الغوص الترفيهي. (معظمها نفس الأنظمة، ولكن بتفاصيل عملية أكثر حسب الحاجة للإسعافات الأولية) ^{[ 124 ]}

• الإسعافات الأولية – العلاج الطبي الطارئ للاستجابة الأولية 
• الإنعاش القلبي الرئوي – إجراء طارئ بعد توقف القلب المفاجئ 
• الإنعاش بالهواء الزفيري – التهوية الاصطناعية باستخدام الهواء الزفيري من المسعف 
• إعطاء الأكسجين – توفير الأكسجين لأغراض علاجية 

• طب الغوص – تشخيص وعلاج والوقاية من الاضطرابات الناجمة عن الغوص تحت الماء 
• قائمة الباحثين في علم وظائف الأعضاء والطب الخاص بالغوص
• فسيولوجيا الغوص تحت الماء – تكيفات الفقاريات البحرية مع الغوص 
• فتح قناة استوائية إرادي - التحكم الإرادي في عضلات LVP و TVP مما يسمح بمعادلة ضغط الأذن الوسطى مع الضغط المحيط.