Learn Buteyko Online

CO2 מאמר אודות פחמן דו-חמצני
 

​

על ידי יאנדל הנדרסון, Ph.D

מתוך: Cyclopedia לרפואה (1940)

 

היסטוריה

בתשעה במאי 1794, בזמן שלטון הטרור, הוצא אנטואן-לורן דה לבואזיה להורג בגיליוטינה. אירוע זה חתם את הפרק הראשון והטוב ביותר בפיזיולוגיה של פחמן דו חמצני. זמן קצר לפני מותו, גילה לבואזיה את עיקרון הייצור של הפחמן הדו חמצני ואת תפקיד החמצן בבעירה ובחיים. אלה היו ועודם תרומות הידע המהותיות ביותר בתחום הזה. כמו שאמר לגראנז' עמיתו של לבואזיה: "לראש הזה נדרשה שנייה אחת כדי ליפול, אך מאה שנים לא יפיקו עוד ראש שכזה".

הדימיון בין חיים ובעירה

תרומתו המכרעת של לבואזיה, למדע בכלל ולפיזיולוגיה בפרט, הייתה ההדגמה כי הקווים הכלליים של בעירת האש ושל המטבוליזם של הנשימה אצל בעלי חיים הם זהים. שניהם מורכבים מחיבור של חמצן מהאוויר עם חומר פחמני ושניהם מתרחשים בשחרור חום וייצור של פחמן דו חמצני. אכן הפחמן הדו חמצני נחשף כבר בעבר על ידי בלק בשנת 1757, והחמצן תואר על ידי מאיו, שֵׁלֶה ופריסטלי. אבל לבואזיה היה הראשון שהראה את חלקו של החמצן ואת התהליך בו נוצר פחמן דו חמצני.

מאה שנים לאחר מכן, ספר הלימוד של הפיזיולוגיה בשפה האנגלית היה זה של סר מייקל פוסטר מאוניברסיטת קיימברידג'. ספר זה סיפק את ההכשרה המוקדמת של מרבית הפיזיולוגים אשר תרמו במשך שלושים וחמש השנים שעברו להתפתחות הנשימה ולהכרה הגוברת והולכת בחלקו של הפחמן הדו חמצני בכלכלת הגוף. העובדות והתפיסות שהוצגו על ידי פוסטר מראות גם את ההתקדמות של מאה השנים מלבואזיה וגם את נקודת המוצא של החקירה המודרנית. אם הפרק הראשון של הפיזיולוגיה של הפחמן הדו חמצני נתרם על ידי לבואזיה ונסגר עם מותו, הרי הפרק השני מוצג על ידי פוסטר, והוא בערך באותה תקופה עם המאה ה - 19; באשר לפרק השלישי, בו עוסק המאמר הזה בעיקר, הוא התוצר של הדור שעשה את העבודה הניסויית שלו בשלושת העשורים הראשונים של המאה ה - 20, ומתוך התוצאות התיאורטיות שלו, הוא תורם כעת תרומות משמעותיות לרפואה הקלינית, לניתוחים ובייחוד לתרפויטיקה.

הניגוד בין חיים ובעירה

ההתקדמות החשובה ביותר בפיזיולוגיה של הנשימה כפי שהוצגה על ידי פוסטר, מעבר לתפיסה שהותיר לבואזיה, היתה כי חמצון בחיים, כמו גם עם אש בחומרים ומוצרים, הוא שונה ביסודו גם בתהליך וגם בבקרה. אם מספקים לאש בוערת חמצן טהור במקום אוויר, היא תבער בעצמה מוגברת מאוד. אבל כאשר אדם או חיה נושמים חמצן, או אוויר מועשר בחמצן, לא נצרך יותר מהגז הזה, לא נוצר יותר חום ולא ננשף יותר פחמן דו חמצני מאשר כאשר נושמים את האוויר לבד. למרות שהרופאים עדיין מתקשים להאמין, חמצן איננו גורם ממריץ בשום מובן עבור יצורים חיים. החמצן הוא רק מזון חיוני; מזון אשר הגוף אינו יכול לצרוך ממנו יותר, או להסתדר עם כמות פחותה, מאשר הוויסות הפנימי הנקבע בהתאם לצרכיו של הגוף. גם באוויר דליל, או במקרים של מחלת לב, מצבים בהם האדם עלול לסבול קשות מאספקה לקויה של חמצן, הגוף למעשה צורך כמעט כמות רגילה. סימפטומים של חנק הם הביטוי של העומס על הגוף לצרוך את הכמות הזו. הגוף או שמקבל כמות זו, או שהוא מת.

לבואזיה הניח שהבעירה החיונית חייבת להתרחש בתוך הריאות, היכן שהאוויר שנשאף בא במגע עם הדם. עם זאת, ספלנזאני, הפיזיולוג האיטלקי, זיהה מיד כי למעשה החמצון אינו מתרחש בריאות, הוא מתרחש ברקמות, אליהן מועבר החמצן על ידי הדם. ואכן מגנוס, פיזיולוג גרמני, הוכיח זאת בהיותו הראשון ששאב גזים מהדם באמצעות משאבת וואקום והראה כי הדם העורקי מכיל יותר חמצן ופחות פחמן דו חמצני מאשר הדם הורידי. ואז הופה-סיילר, אחד מראשוני הביוכימאים, הפריד את ההמוגלובין, החומר הצובע של כדוריות הדם האדומות, בצורת גבישים טהורים, והראה כי חומר זה מייצר כימיקל חופשי קשור לחמצן. המוגלובין הוא הכלי באמצעותו מעביר הדם את החמצן.

 

דם בסיסי (אלקאלי) כנשא של פחמן דו חמצני.

מאוחר יותר, במאה ה - 19, צונץ, בברלין, הכיר בכך שפחמן דו חמצני, בניגוד לחמצן, אינו נישא על ידי ההמוגלובין, אבל אותו המוגלובין הוא בכל זאת מרכיב חיוני בהובלת הגז הזה אל הדם. הוא הראה כי הפחמן הדו חמצני בדם משתלב עם יסודות בסיסיים, בעיקר סודיום ביקרבונט. בכך הוא הדגים, בפעם הראשונה, מה שעכשיו נקרא, אולי לא כל כך בתבונה, "עתודה בסיסית (אלקלית)". מוטב היה לקרוא  לביקרבונט של הפלסמה "בסיסים (אלקלים) בשימוש"; המאגר האלקאלי האמיתי מתחבר עם ההמוגלובין שמשתחרר כדי להתחבר עם חומצה פחמנית, או לנטרל חומצות חזקות יותר. כשפחמן דו חמצני מובל אל הריאות, כמות האלקלי שנפלטת נקשרת מחדש אל ההמוגלובין.

תהליך ההובלה של פחמן דו חמצני הוא אחד המאפיינים המדהימים ביותר של הדם ושל הנשימה. ההוכחה לכך נשענת על שתי עובדות שהודגמו על ידי Pfluger ואחרים במהלך ההתפתחות הגדולה של הפיזיולוגיה הגרמנית, במחצית השנייה של המאה ה - 19. אחת העובדות היא כי שהפלזמה בדם, אם היא מופרדת מהכדוריות שלה, היא תישאר עם מעט מהפחמן הדו חמצני שלה גם אם בתנאי חלל ריק (ואקום). העובדה האחרת היא שכל הפחמן הדו חמצני שבפלזמה, גם בתמיסה פשוטה וגם אם קשור עם בסיס כביקרבונט, ישתחרר בקלות אם יש בדם כדוריות אדומות. לפיכך, ההמוגלובין של הכדוריות האדומות, המספק ​​או נקשר מחדש עם בסיס (אלקלי), שולט על יכולת הפלזמה להוביל פחמן דו חמצני; ובכך מאפשר לדם להוביל את הגז הזה ברקמות ולשחרר אותו בתוך הריאות תחת שינויים קלים מאוד של לחץ. באותה העת, נוספה עוד בעיה בעלת חשיבות מכרעת שמשכה את תשומת ליבם של החוקרים, לא רק הבעיות שדנות באיך שאנו נושמים ומדוע, במובן של צורך, אלא גם מדוע, במובן של סיבה וגירויים. זו אחת התצפיות הנפוצות ביותר של החיים. מאמץ פיזי, מלווה בנשימות של נפח גדול יותר של אוויר, בשל צריכה מוגברת של חמצן וייצור של פחמן דו חמצני. הצורך הוא ברור. אבל מה טיבו של הגירוי ומהו מנגנון הבקרה שביחד מניעים את ההתאמה הזו של האוורור של הריאות לצרכי הנשימה של הגוף? הנושא הזה נדון באריכות. במשך למעלה מ - 50 שנים, כמעט כל אלוף מכל מגוון הדעות, תרם כגרגר של אמת על אודות שלב כזה או אחר. אבל כל מי שטען לבלעדיות עבור גורם אחד כלשהו, טעה; הנשימה היא כתוצאה מגורמים רבים.

תהליך הוויסות העצבי והכימי של הנשימה.

ובכן הגורמים שנחשפו היו משני סוגים עיקריים: עצביים וכימיים. שפוך דלי של מים קרים על מישהו והוא ינשום נשימה עמוקה אחת או יותר. גירוי בעצב אפרנטי, גרימת כאב, ויש זעקות עד לשמיים. דגדג את האף שלו או את הגרון שלו והוא יתעטש או ישתעל. כל אלה הם רפלקסים נשימתיים מגורים על ידי זרמים עצביים המגיעים אל מרכז הנשימה. אבל יותר חשוב מכל אלמנט עצבי אחר בנשימה הוא העצב התועה ( vagus)  בין הסיבים שלו יש כאלה אשר סופם מצוי בתוך הריאות ומעבירים מהם פקודות (אימפולסים) אל מרכז הנשימה המצוי בחלק במוח שנקרא מדולה אובלונגטה. כמו שהדגימו הרינג וברויר, במסלולים אלה, כל ירידה בהוצאת האוויר של הריאות מגרה את המרכז לשלוח רפלקס לסרעפת ולשרירי נשימה אחרים, לקבל אוויר ולהיפך, כל הכנסת אוויר גורמת ברפלקס להוצאת אוויר. הודות לאופי הקצבי הזה של מנגנון הנשימה, או כפי שהיה מבטא זאת מהנדס, הנשימה היא מנגנון הדדיות, מנגנון של החזר.

במהלך נגד ההסבר הזה, הצטברו בהדרגה ראיות בהסתמך על גורמים עצביים, שהעידו על שליטה כימית על הנשימה. הדם שזורם אל ודרך מרכז הנשימה נמצא בעל השפעה דומיננטית על פעילות הנשימה. כל פעם שהדם הופך לוורידי, המרכז מגורה ליצור גידול בנפח הנשימה. לעומת זאת, אם הדם היה באוורור יתר בתוך הריאות (דם מחומצן מידי) פעילות המרכז פסקה לזמן מה ומתרחש דום נשימה. במצב כזה, האדם אינו נושם וגם לא מרגיש שום רצון לעשות זאת.

ככל שהתפתחה התפיסה של שליטה כימית על נשימה, תומכיה נחלקו לשתי קבוצות. הקבוצה האחת החזיקה בדיעה שבעיקר מידת החמצון של הדם היא היא המשפיעה על מרכז הנשימה ושולטת על פעילותו. על פי ראיות הקבוצה השניה, דווקא כמות הפחמן הדו חמצני בדם מהווה את הגורם הקובע. בעניין זה שני הצדדים של המחלוקת תרמו עובדות ניסיוניות בעלות ערך וכל אחד מהם היה בחלקו גם צודק. הנשימה אכן מושפעת באופן מהותי על ידי לחץ החמצן שבה הפרט התאקלם, לחץ אשר תלוי בגובה של ביתו מעל לפני הים. אבל התאקלמות לגובה היא איטית מאוד, דורשת ימים או שבועות. רק בתנאים של חוסר חמצן קיצוני פתאומי, על גבול החנק, או אחרי מאמץ שרירי אינטנסיבי, הנשימה מגורה ולמעשה, כפי שנראה בהמשך, היא מגורה יתר על המידה על ידי דרישה דחופה לחמצן.

מצד השני, הטבע קובע כי לאדם או בעל חיים בריא, למעט תחת מאמץ אינטנסיבי, אספקת החמצן היא תמיד בשפע ולכן בתנאים רגילים השפעתה על הנשימה, קלה יחסית. ההבדלים בכמויות הפחמן הדו חמצני שמיוצר בגוף, בעת מנוחה ובעת מאמץ, מאפשרים את הגירוי שמניע את ההתאמות של הנשימה לצרכי האנרגיה המשתנים של הגוף. פוסטר, התייחס וקבע בספרו הנ"ל כי הראיות אכן מצביעות שחמצן הוא חשוב יותר מפחמן דו חמצני. אבל אפילו כבר ב - 1885, מישר (Miescher), פיזיולוג שוויצרי, במאמר שנחשב לאחת מיצירות המופת של הפיזיולוגיה, סיכם את כל הראיות שהיו זמינות והגיע למסקנה שההבדלים בכמויות הפחמן הדו חמצני הן אלה שבעיקר מניעות את ההתאמות המיידיות של הנשימה. בהשראת תובנה גאונית הוא כתב אמירה קלאסית: "מעל אספקת החמצן בגוף, פורש הפחמן הדו חמצני את כנפיו המגינות." הוא נפטר לפני שהספיק להשלים את עבודתו וניתן לומר שמותו חתם את הפרק השני של ההיסטוריה של הנשימה ושל תפקודי הפחמן הדו חמצני בגוף.

נשימת החיים (The breath of life)

שלושת העשורים הראשונים של המאה הנוכחית העידו על היפוך יוצא דופן בנקודת המבט והרחבת ההתעניינות באשר לחשיבות התפקודית של הפחמן הדו חמצני בגוף החי. יתר על כן, תגליות בתחום הזה, אשר היו בתחילה מדעיות ותיאורטיות גרידא, מוצאות כעת מגוון רחב של יישומים קליניים להקלה על סבל והצלה של חיים.

לפני שלוקחים בחשבון את הנושאים האלה, מומלץ לנקות את המוח מתפיסות מסוימות ומוטעות שמושרשות עמוק זמן רב כל כך, שהתנגדו לאמת והכשילו את השימושים שלה. ניתן יהיה לראות כי פחמן דו חמצני הוא באמת האוויר של החיים.

המוח האנושי נוטה מטבעו לראות את הטבע מנקודת מבט מוסרנית. לפני העידן המודרני, לפני רק דור או שניים, כמעט כל בעיה נתפסה כאלטרנטיבה בין טוב ורע, צדק וחטא, אלוהים והשטן. הנטייה הזו באמונות תפלות עדיין מעוותת את התפיסות של בריאות וחולי; אכן, הדבר נובע בעיקר מההתנסות בסבל פיזי. לבואזיה תרם שלא בכוונה לתפיסה הזו כשהגדיר את החמצן בתור מאפיין החיים ואת הפחמן הדו חמצני בתור הכוח החונק. בהתאם לכך, במשך יותר ממאה שנה לאחר מותו, ואפילו היום בתחום הנשימה והתיפקודים הנלווים, חמצן מאפיין את הטוב ופחמן דו חמצני נחשב רוח הרשע. כמעט שלא ניתן לחשוב על הטעייה גדולה יותר של היחסים הביולוגיים האמיתיים של גזים אלה.

פיזיולוגיה

יחסים של פחמן דו חמצני וחמצן בגוף

דו-תחמוצת הפחמן היא בעצם רכיב בסיסי של החי יותר מאשר החמצן. החיים כנראה התקיימו על פני האדמה במשך מיליוני שנים עוד לפני עידן הקרבון, באטמוספירה שהכילה כמות גדולה יותר של פחמן דו חמצני מאשר כיום. יתכן אף שהייתה תקופה שבה לא היה חמצן חופשי זמין באוויר. אפילו היום, חיות כגון תולעי מעיים (Ascaris) יחיו ויהיו פעילים בסביבה של מימן ללא חמצן בכלל. אצל בעלי חוליות, התהליך של התכווצות השרירים הוא אנאירובי במהותו.

שריריה של הצפרדע יתכווצו ביעילות שוב ושוב בהינתן הגירוי המתאים בסביבה של חנקן טהור. תוך כדי ההתכווצות, מייצר השריר חומצה לקטית, בחלקו על ידי המרה חזרה לסוכר. במילים אחרות, חמצן אינו אחד מהגורמים העיקריים בעבודה שרירית. כמות המלאי הרזרבי של החמצן בגוף היא קטנה. נשימות נמרצות לא יכולות להתקיים לפני המאמץ. ראשית יש לעשות פעולה של מאמץ, ואז נדרש החמצן כדי לנקות את המערכת כהכנה לספיגת מאמץ נוסף. הדרישה לחמצן עבור סילוק הפסולת וחידוש הכוח נקראה על ידי ארצ'יבלד היל (A.V.Hill) "גרעון החמצן" של פעילות גופנית.

מצד שני, הידע היום מראה כי פחמן דו חמצני הוא מרכיב חיוני ביותר של הפרוטופלסמה. זהו אחד הגורמים בוויסות של בסיס (אלקלי) וחומצה לשמירה על רמת pH תקינה של הרקמות. Acapnia, ירידה בכמות הנורמלית של הפחמן הדו חמצני ברקמות, כרוכה אפוא, בהפרעה של אחד מתנאי היסוד של החיים.

טעות נוספת, אמנם טבעית אבל מאוד מעכבת ומוטעית, היא שחמצן ופחמן דו חמצני הם מנוגדים (אנטגוניסטים), כך שבדם, רווח של אחד טומן בחובו אובדן של האחר. לעומת זאת, למרות שכל אחד נוטה להעלות את הלחץ ובכך לקדם את הדיפוזיה של האחר, שני הגזים מוחזקים ומובלים בדם באמצעים שונים. חמצן נישא על ידי ההמוגלובין בכדוריות, בעוד שדו-תחמוצת הפחמן נקשר עם בסיס(אלקלי) בפלזמה. דגימת הדם עלולה להיות גבוהה בשני הגזים או נמוכה בשני הגזים. יתר על כן, בתנאים קליניים חמצן נמוך ופחמן דו חמצני נמוך –anoxemia  ו - acapnia – בדרך כלל מתרחשים יחד. כל אחד מהמצבים הלא נורמליים האלה נוטה להשפיע ולהעצים את האחר. טיפול בהעלאת רמת הפחמן הדו חמצני, על ידי שאיפה של הגז מדולל באוויר, הוא לעתים קרובות האמצעי היעיל לשיפור החמצון של הדם והרקמות. בתנאים כאלה של מחסור אקוטי בחמצן בדומה לתשניק פחמן חד חמצני, הגוף סובל מחיסול יתר של פחמן דו חמצני והשבתו היא מועילה כשלעצמה. אצל אדם הטובע או תינוק בן יומו שאינו נושם, החוסר בחמצן אינו גורם לעודף בפחמן דו חמצני. נהפוך הוא, בהיעדר החמצן, חומצה לקטית ותוצרי פירוק בסיסיים של הרקמות לא יהפכו לפחמן דו חמצני; לשם כך החמצן הוא הכרחי. באמירתו של מישר, שצוטטה בסוף הקטע הקודם, יש אם כך אמת לעומקו ולרוחבו של יישום גדול בהרבה ממה שהוא תיאר לעצמו.

 CO2  כגורם מאזן של חומצה-בסיס בפיזיולוגיה של הדם

הפיזיולוגיה המודרנית הראתה כי, בנוסף לבקרה ולוויסות המופעלת על ידי מערכת העצבים, ישנם חומרים כימיים רבים שמיוצרים בגוף ומשפיעים על תפקוד וצורה. סטרלינג נתן שם לעקרונות הפעילים האלה וקרא להם "הורמונים". בין ההורמונים נימנים האפינפרין (המכונה לעתים קרובות אדרנלין),pituitrin , תירוקסין, אינסולין ותוצרים רבים אחרים של בלוטות הפרשה פנימיות ואיברים אחרים. פחמן דו חמצני הוא ההורמון הראשי של הגוף כולו. הוא היחיד אשר מופק על ידי כל תא וכפי הכנראה פועל על כל איבר. בוויסות התפקודים של הגוף, פחמן דו חמצני נושא לפחות שלוש השפעות מוגדרות היטב: (1) הוא אחד הגורמים העיקריים במאזן חומצה-בסיס של הדם. (2) הוא השליט הראשי של הנשימה. (3) הוא מפעיל השפעה מהותית, מרעננת וחיונית על הלב ועל מחזור הדם.

בשנים האחרונות צמחה לה ספרות ענפה מאוד בנושא שנקרא "עתודות בסיס" (רזרבה אלקלית), איזון חומצה-בסיס, וריכוז ה - pH או יוני המימן בפלזמה. כמו כן הופיעו גם מחקרים ודיונים רבים על היחסים האמיתיים או המשוערים של תכונות אלה של הדם אל חמצת ובַּסֶסֶת קליניות. במהלך ההתאמות המסובכות של האיזון הפיזיקלי הכימי בדם, פחמן דו חמצני, יותר מכל גורם אחר, כפוף להפרעות על ידי כל שינוי בפעילות הגופנית או ייצור חום; אבל הוא גם הגורם שמותאם מיד בחזרה. התגובות האוטומטיות המשפיעות על התאמה זו הן גידול או קיטון בנפח הנשימה. הנפח הזה תלוי יותר בעומק הנשימה מאשר בקצב שלה; או לייתר דיוק, הוא תוצר של עומק ושל קצב. הוא קובע את מידת האוורור של הדם כאשר הוא עובר דרך הריאות. בדרך כלל, זה כל כך מותאם שהפחמן הדו חמצני באוויר נאדיות הריאה נשמר בלחץ חלקי של קצת יותר מ - 5% שבאטמוספירה. כמות זו של גז פחמן דו חמצני באוויר הנאדיות מייצרת בדיוק אותה הכמות של חומצה פחמתית בתמיסה בדם, כדי לאזן את הכמות הנורמלית של בסיס (אלקלי) ובכך להניע ולתחזק pH נורמלי. עיקרון זה בא לידי ביטוי במשוואה של אל.ג'יי. הנדרסון:

pH = K x [CO3 H2] / [NaHCO3]

אם, לעומת זאת, בגלל הפרעות בתפקוד של הכליות או של איברים אחרים, הדם האלקלי בשימוש הוא לא בכמות נורמלית, רמת ה - pH של הדם, תהיה גם לא תקינה, פרט לבקרת נגד של הנשימה על הפחמן הדו חמצני שבאוויר בנאדיות ובכך על החומצה הפחמתית בתמיסה בדם. כל אימת שדם אלקלי נמוך מהרגיל, הנשימה מתגברת ושומרת על אוורור ריאתי נמרץ יותר (ונטילציה ריאתית נמרצת). המטרה והתוצאה של ההגברה הזו הן הפחמן הדו חמצני הנאדי מעורבב עם יותר אוויר צח ומדולל. כתוצאה מכך, חומצה פחמתית של לחץ הדם העורקי יורדת באופן יחסי. זהו ההסבר לנשימה המוגברת שמתרחשת בחמצת אקוטית של הנפריטיס והן בתרדמת סוכרתית, שיתפתחו לרעב לאוויר שמעיד על מוות מתקרב. הגברה של הנשימה היא הפיצוי הטבעי על הירידה בדם אלקלי. מצד שני, אם כמות הפחמן הדו חמצני חסרה בו זמנית עם דם אלקלי תקין או יתיר, הנשימה יורדת או נכשלת לחלוטין. תגובות נשימה אלה תלויות בהשפעה הקשורה לאיזון הכימי בין הפחמן הדו חמצני עם הדם האלקלי. שכן, אם הפחמן הדו חמצני והאלקלי לא מאוזנים אפילו מעט, מרכז הנשימה מגורה או מדוכא בעוצמה.

בין אם התגובות הפיזיולוגיות לפחמן דו חמצני נובעות ישירות מהשפעה ספציפית של חומר זה, ובין אם לרמת הPH של הדם או של ליחות אחרות בהן הפחמן הדו חמצני הוא גורם חשוב, שאלות אלה נמצאות עדיין בחקירה פעילה. לעומת זאת, ראוי לציין כי קיומן של התגובות מבהיר את התפיסה הרווחת של הכימיה על חמצת ובסֶסֶת קלינית. מדעי הכימיה או הפיזיולוגיה אינם יכולים להסיק זאת, משום שכמות הבסיס (אלקלי) בשימוש בין אם היא גבוהה או נמוכה, רמת ה - pH בדם חייבת להיות מושפעת בהתאם. דם אלקלי גבוה או נמוך מצריך ירידה או עלייה מקבילה של נפח הנשימה כדי לפצות ולאפשר pH נורמלי. אם כן, במחלה כלייתית או סוכרת או הפרעות אחרות, רמת ה - pH היא ממש לא תקינה והדם למעשה הופך להיות אפילו מעט יותר חומצי או יותר אלקלי מהרגיל. וודאי יש איזו הפרעה בויסות הנשימה של הפחמן הדו חמצני הנאדי שעדיין לא הובנה. וויסות רגיל של לחץ הפחמן הדו חמצני ראוי לפצות על דם אלקלי גבוה או נמוך כמעט בכל התנאים שתואמים את המשך החיים.

החלק שבדרך כלל משחקות הכליות וההשפעות של תנאים חריגים ותהליכים בתוכם באיברים אחרים תוך קביעת הכמות של אלקלי בשימוש בדם, גם בבריאות וגם בהפרעות כגון סוכרת וחמצת ובַּסֶסֶת קליניות, הם מעבר לתחום של המאמר הזה. הבעיות שנושאים אלה מציגים, כבר נותחו, אך רק באופן חלקי.

מרכז הפיקוח והשליטה על הנשימה ומחזור הדם

ההתפתחות המודרנית של הידע על אודות חלקו של הפחמן הדו חמצני בשליטה על הנשימה, החלה עם המאמר הקלאסי שנכתב על ידי הלדיין ופריסטלי, תחת הכותרת "הוויסות וההסדרה של אוורור הריאות" ובעקבותיו פורסמו מאמרים חשובים נוספים על ידי הלדיין ודוגלאס. במאמרים אלה הוצג, על ידי תצפיות על גברים נורמלים, שהנשימה אינה מושפעת לא על ידי שאיפה של אוויר עשיר בחמצן, ולא על ידי ירידה מתונה של חמצן כפי שקורה שעולים לגובה רב בפעם הראשונה. מצד שני, הנשימה משנה את נפחה באופן אוטומטי בהתאמה כה קרובה לכמות הפחמן הדו-חמצני שנוצר בגוף, כך שהאוויר בנאדיות נשמר כמעט קבוע. מכאן, שהפחמן הדו-חמצני הוא ההורמון הראשי והמידי של הנשימה..

חודשים מספר לאחר המאמר הראשון על ידי הלדיין ועמיתיו, שהראו את השפעת הפחמן הדו חמצני על הנשימה, החלו הנדרסון ועמיתיו לפרסם שורה ארוכה של מאמרים שדנו בהשפעתו של הפחמן הדו חמצני על מחזור הדם. הם הראו כי מחסור בco2 ((acapnia עלול לגרום הפרעה חמורה של הלב וכשל של מחזור הדם ההיקפי (פריפריאלי). תנאים אלה דומים לדיכאון תפקודי של הלם אצל חולים לאחר הרדמה ממושכת וניתוחים גדולים. מצד שני התברר, כי אם תכולת הפחמן הדו חמצני בגוף נשמרת על ידי נשימה חוזרת (RE BREATHING) חלקית, החיוניות של בעל החיים, אפילו תחת ניתוח ארוך ומקיף וטראומות, מדוכאת  רק במקצת.

תצפיות אלו על מחזור הדם הראו גם כי אצל בעלי חיים שהיו במצב של הלם, רמת הפחמן הדו חמצני בדם, או כפי שהיא נקראת היום "עתודת אלקליין," הופחתה במידה ניכרת. תוצאה ניסיונית זו קיבלה אישור מאוחר יותר על ידי קנון בתצפיותיו על חיילים פצועים במשך המלחמה.

התצפיות על הנשימה של בעלי חיים תחת הרדמה, נעשתה בכוונה לחקות נוהל בלתי מקצועי שהראה שכשל נשימתי, שהיה בעבר אחד הסיכונים העיקריים בחדר הניתוחים, נובע בעיקר מנשימת יתר במהלך השלב של ההתרגשות. אם, בשלב הראשוני של ההרדמה, מתרחשת הפחתה מוגזמת של הפחמן הדו חמצני ואז הרגישות של מרכז הנשימה  מדוכאת על ידי מתן הרדמה, הנשימה נעצרת. היא לא שבה עד הגירוי הכימי של הגזים בדם והרגישות של מרכז הנשימה משתקמים במידה מספקת כדי להשפיע שוב על הפעילות הטבעית של הנשימה.

טיפולים

בהרדמה / אילחוש

בשנת 1920, הנדרסון, הגארד וקובורן העבירו את התצפיות שלהם לקליניקה ומצאו שכאשר נרשמו לחולים אינהלציות של 8% פחמן דו חמצני באוויר, לאחר ניתוחים גדולים בהרדמת אתר, ההשפעות היו מועילות באופן מרשים. עם שובה של נשימה עמוקה, הכיחלון שהיה נפוץ לאחר הרדמה, נעלם. הזרימה העורית השתפרה. העור השתנה בצבע ובטמפרטורה, מכחול-אפור וקר לוורוד וחם. הדופק, שקודם נחלש והיה נמוך, הפך במהירות לתקין; והלחץ העורקי חזר למצבו הנורמלי. בשל עלייה בעוצמת הנשימה, חומר ההרדמה (אתר) אוורר במהירות מן הדם וההכרה חזרה תוך דקות ספורות, גם לאחר הרדמה עמוקה. בחילות והקאות או שצומצמו במידה ניכרת או נעלמו לחלוטין ואחרי האינהלציה המטופל נרדם.

בהמשך לתצפיות אלה, ווייט מצא שכאשר מתרחש דימום איטי לאחר ניתוחי מוח, קצב הנשימה יורד בהדרגה עד שהמוות הוא בלתי נמנע. בכמה מהמקרים האלה ניצלו חיים על ידי גירוי של הנשימה עם אינהלציה של פחמן דו חמצני.

כיום, השימוש באינהלציה כזו הפך לרגיל בהקשר עם הרדמה. כמעט כל מערכת הרדמה אמריקאית מצויידת היום בחיבור מתאים עבור בלון פחמן דו חמצני, או תערובת של פחמן דו חמצני וחמצן. בעזרת אמצעים אלה כל נטייה לכשל נשימתי מנוטרל על שולחן הניתוחים. בסופו של הניתוח, ניתנת אינהלציה של פחמן דו חמצני לגרות את הנשימה ולגרום להיעלמות מהירה של חלק גדול מחומרי ההרדמה. על ידי האינהלציה הזו, גם פעולת הלב מומרצת וגם הטונוס של כלי הדם הפריפיאליים חוזר לעצמו ומשתקם.

אטלקטזיס (תמט הריאות) ופנאומוניה (דלקת ריאות) אחרי ניתוח

טיפול מונע

בעזרת השימוש בפחמן דו חמצני למטרות שתוארו לעיל, התפתח שימוש אחר ואפילו יותר חשוב - מניעה של תמט ריאות ודלקת ריאות לאחר ניתוח. חוקרים רבים ציינו כי לאחר ניתוחים בהיקפים גדולים, הקיבולת החיונית של הריאות נוטה לעיתים להצטמצם לרמה כה נמוכה עד לכדי שליש מהנפח שלפני הניתוח. הסרעפת עלולה להיות מורמת כלפי בית החזה בכמה סנטימטרים. בצילום רנטגן, מצב זה של קריסה חלקית של בית החזה נמשך במקרים מסוימים עד כמה ימים. המנח של בית החזה הוא בדומה לאשר מתרחש במשך כמה דקות אצל אדם נורמלי לאחר נשימה מאולצת ונמרצת. לכן, זוהי תופעה של acapnia  (מחסור בco2).

מנח acapnial זה של בית החזה עלול להותיר חלקים ניכרים של הריאות ללא אוורור. דרכי הנשימה בחלקים אלה עלולות להיות חסומות והאוויר שנותר אם כך חסום, נספג בדם.

כתוצאה מכך, עלולים להתפתח תמט ריאות של האונה, או אפילו קריסה מסיבית של הריאה כולה. מהמצב זה, כמו שהוכיחו קורילוס ובירנבאום באופן ניסיוני, עלולה להתפתח דלקת ריאות, משום שאם נוכחים אורגניזמים פתוגניים, הם מוצאים תנאי ריאות אטלקטיים נוחים המתאימים לגדילתם.

האמיתות המהותיות של תפיסה זו של מקור תמט הריאות ודלקת הריאות לאחר ניתוח, נבחנו כאמצעים מניעתיים וטיפוליים שנמצאו יעילים לנטרול או למניעה שלהן. במרפאות כירורגיות רבות בארה"ב ובגרמניה, הושגו תוצאות אשר מראות שכאשר ניתנת אינהלציה של פחמן דו חמצני בכל המקרים לאחר הרדמה וניתוח, הריאות מתרחבות מחדש, הטונוס של שרירי הנשימה חוזר, תמט ריאות נמנע, והסיכון לפתח דלקת ריאות לאחר ניתוח כמעט שמתבטל.

דלקת ריאות

היתרונות האפשריים של טיפול דומה באינהלציה בדלקת ריאות, למשל אחרי שפעת, נמצאים רק עכשיו תחת חקירה פעילה. הנדרסון, הגארד, קורילוס ובירנבאום הראו כי אצל כלבים עם דלקת ריאות, הריאות עשויות להיות נקיות ודלקת הריאות נרפאה על ידי מיקום החיות בסביבה של 8% פחמן דו חמצני למשך 12 עד 24 שעות. התמיכה לטענה כי מדובר במרפא אמיתי, היא שהעובדה שהפטוגן פנאומוקוק מעוכב בצמיחה או אפילו מומת על ידי הורדת רמת ה – pH, אינה עולה על מה שעשוי לתרום פחמן דו חמצני. הורדת ה - pH על ידי פחמן דו חמצני תורמת גם להשמדת החיידקים ולהמסה של ההפרשה האחראית על המיצוק של הריאות בדלקת ריאות. מקרים רבים של דלקת ריאות מטופלים עכשיו על ידי אינהלציה של פחמן דו חמצני בחמצן; ואוהל מיוחד עבור הטיפול הזה הוצג על ידי הנדרסון והגארד. אלה שהשתמשו בו מאמינים כי הטיפול הזה עדיף בהחלט לעומת טיפול בחמצן בלבד.

אספיקציה (תשניק)

בדומה לשימוש באינהלצית פחמן דו חמצני אחרי הרדמה, נמצא הטיפול המודרני בתשניק על ידי פחמן חד-חמצני. צורה זו של חנק היא הסיבה לאלפים רבים של מקרי מוות בשנה. הגורמים השכיחים ביותר הם הגזים שמייצרת העיר, אשר בדרך כלל מכילים 20%-30% של פחמן חד-חמצני, והפליטה מהמכוניות. פחמן חד חמצני יוצר חיבור להמוגלובין ותופס את מקומו של החמצן. התכונה הקריטית של הרעלת פחמן חד חמצני היא האספיקציה, במיוחד של מערכת העצבים, בגלל יכולתו המועטה של הדם להעביר חמצן. נראה אם כן, כי אינהלציה של חמצן תהיה הטיפול ההגיוני. לעומת זאת, בפועל, חמצן לבד נמצא הרבה פחות מועיל מהצפוי.

הנדרסון והגארד מצאו במהלך חקירת בעיה זו, כי מטופל שמפתח חנק חד-תחמוצת הפחמן, נושם יתר על המידה ונושף כמות מוגזמת של פחמן דו חמצני. לכן הוא מפתח acapnia (מחסור בco2 ), כמו גם אנוקסיה (מחסור בחמצן). בהרחקה מהאטמוספרה הרעילה, החולה עלול לסבול מדיכוי של הנשימה. טיפול בחמצן לכן יהיה יעיל רק במעט, משום שהוא לא נשאף כראוי.

בניסויים על בעלי חיים במצבי תשניק, הראו החוקרים האלה כי על ידי מתן תערובת של חמצן ופחמן דו חמצני הנשימה הייתה כל כך מגורה וניטרול הפחמן החד חמצני כל כך מואץ, עד שהושגה התאוששות מהירה. במסגרת התוצאות המועילות, ההקלה על acapnia חשובה כמעט כמו הניטרול של הפחמן החד חמצני ושיקום אספקת החמצן המלאה.

צורה מיוחדת של מכשיר, אינהלטור H-H, עבור טיפול בתערובת של חמצן ופחמן דו חמצני לחולים עם חנק, הומצא וכבר הוצג בצורה נרחבת. הטיפול הזה היה כל כך מוצלח, שאלפים רבים של אינהלטורים אלה נמצאים כעת בשימוש. כמה מאות, למשל בניו יורק, ומספר תואם לאוכלוסייה בשיקגו ובערים אחרות. צוותי הצלה של מכבי האש והמשטרה, חברות הגז והחשמל, ועכשיו גם האמבולנסים של בתי החולים מצויידים בהם. בתחילה ריכוז התערובת בשימוש היה של 5% פחמן דו חמצני בחמצן, אך 7% הוכחו אפילו מועילים יותר.

הערך של הטיפול הזה הוא לא רק למען הצלת חיים, אלא גם למניעת סיבוכי פוסט אספיקציה כגון דלקת ריאות, פגיעה בלב, וליקוי עצבי. במקרים רבים של מחנק קצר אך אינטנסיבי, החולה חוזר לעצמו לחלוטין בתוך שעה; הוא יכול אז מרצון ובאופן בטוח לחזור לעבודתו.

אותו הטיפול משמש ביעילות להחייאה ממגוון רחב של גזים רעילים אחרים שקיימים בתעשייה.

תשניק של היילוד

כתוצאה מטיפול זה בהרעלת פחמן חד חמצני, התפתח השימוש באינהלציה להקלה על תשניק שנפוץ הרבה יותר, תשניק של היילוד. הסיפור על אודות התפתחות זו, מעניין. בתוכו איש מצוותי החילוץ של מכבי אש בשיקגו מילא כמעט אותו תפקיד כמו חסינותן של הנשים החולבות את הפרות שתרמה לגילוי החיסון נגד אבעבועות שחורות.

פעמים רבות קרה שרופא בשיקגו שהכיר החייאה במקרה של תשניק חד-תחמוצת הפחמן, הזדמן לו ליילד תינוק שאינו נושם. לאחר נדנוד, הלקאה, וטבילת הילד במים קרים וחמים, המיילד, לא היה מסוגל לגרום לנשימה פעילה, טבעית, הוא יצר קשר טלפוני עם אחד מהצוותים שיש להם אינהלטור כזה, והטיפולים שלהם היו במקרים רבים כל כך מוצלחים, שתוך כמה שנים מכבי האש רכשו ניסיון רב בתחום. בגאווה מוצדקת, הם טוענים להצלתם של כמה מאות תינוקות.

כאשר הגיע המידע הזה לידיעתו של הכותב, עלה בדעתו כי על בסיס תיאורטי אינהלציה של חמצן ופחמן דו חמצני היא בדיוק השיטה היעילה ביותר נגד התשניק של הילוד. כתוצאת מהגילוי הזה, גירוי כימי ותמיכה במרכז הנשימה המדוכא של הרך הנולד על ידי אינהלציה של פחמן דו חמצני, החליפו במהירות את שיטות ההחייאה הישנות, ​​שלעיתים לא היו אפקטיביות.

דלקת ריאות אצל ילודים. טיפול מונע

הריאות של תינוק בלידתו הן דחוסות (אטלקטיות). הבכי הראשון משפיע על התרחבות חלקית. הנשימות הבאות צריכות להרחיב אותן עוד יותר; אבל, לעתים קרובות ההתרחבות אינה שלמה במשך כמה ימים, או אפילו כמה שבועות. אם במהלך הזמן הזה, יש נוכחות של אורגניזמים פתוגניים, הם מוצאים תנאים נוחים לצמיחה בכל חלק של הריאות שהוא עדיין אטלקטי. מספר מקרי מוות של יילודים מסיבה זו הוא לעתים קרובות גבוה עד 4 מכל 100 לידות של יילודים חיים. כדי למנוע את הסכנה הזו, כבר זמן רב נהוג לגרות את הילד לבכות לפחות פעם ביום. לשם כך דרוש גירוי מכאיב, כגון מכות קלות על כפות הרגליים עם גומייה אלסטית. עם זאת, הניסיון מוכיח כי ילד חלש או שנולד טרם זמנו לא יכול להיות מגורה כראוי ודלקת ריאות עלולה להתפתח. שיטה יותר הומנית, מדעית ויעילה לגרימת התרחבות של הריאות היא מתן שיגרתי, לכל התינוקות בשבוע הראשון או השני לחייהם, של 5 או 10 דקות אינהלציות של חמצן ו - 7% או 8% פחמן דו חמצני. התערובת בטוחה לחלוטין לשימוש כללי על ידי אחיות ומיילדות. ריכוזים גבוהים יותר יעילים לטיפול במקרים קשים, אבל רצוי שיבוצעו רק על ידי אלה שרכשו ניסיון בשימוש של ריכוזים כאלה בהקשר עם הרדמה.

תעוקת לב (אנגינה פקטוריס) וצליעה (חיגרות) תקופתית

ברוב המקרים של טיפול באינהלציה, שדנו בעמודים הקודמים, ההשפעה של פחמן דו חמצני על הנשימה היא בעלת משמעות רבה. השפעות חשובות לא פחות של פחמן דו חמצני על הלב ומחזור הדם, לא מוצו עדיין במידה שווה. הנדרסון ועמיתיו הראו לפני שנים רבות כי בתנאי ניסוי מסוימים, הלב נוטה לפתח טטנוס או עווית / התכווצות חלקיים, וניתן להתגבר על מצבים אלה באמצעות פחמן דו חמצני. הם הראו גם כי, בשל אובדן טונוס השרירים אצל חיות תחת הרדמה ממושכת וניתוח, הדם בסטגנציה בכלי הדם הפריפריים, הזרימה הוורידית אל לב פוחתת בהדרגה, ולבסוף מחזור הדם חסר תנועה.

אם לוקחים שיקולים אלה כרקע פיזיולוגי, ההשפעה מאינהלציה של פחמן דו חמצני נוסתה לאחרונה על מקרים אחדים של תעוקת לב. לא מדובר בטיפול חירום, אלא טיפול ממושך. הוא מבוצע במשך 10-15 דקות בכל פעם,  2-3 פעמים ביום. השיטה של ​​אינהלציה היא למעשה בדומה לטיפול אחרי הרדמה ונתוח, שהומלץ על ידי הנדרסון, הגארד, קובורן וגם על ידי ווייט. שכן האינהלציה מורכבת מפחמן דו חמצני באוויר במקום בחמצן ועלותו קטנה, מלבד המכשיר.

השפעותיו של הטיפול הן שיפור ניכר בצבע ובטמפרטורה של השפתיים והעור, מה שמעיד על השפעה על זרימת הדם הפריפריאלית בדומה לאמיל ניטראט. לחץ הדם וקצב הדופק אינם עולים, אף על פי שניכרת זרימה מלאה. תחושת הלחץ בחזה והכאב שמקרין לכתף ולזרוע, קטנים במידה ניכרת ועשויים להיעלם לגמרי כעבור כמה שעות לאחר האינהלציה. לאחר כמה שבועות של אינהלציות יומית, היכולת לבצע פעילות גופנית מתונה גדלה באופן משמעותי.

האינהלציה הזו שמשה גם בכמה מקרים של צליעה תקופתית. שיפור ניכר בזרימת הדם אירע הן תחת אינהלציה והן כהשפעה מצטברת של הטיפול במשך כמה שבועות. כשהטיפול הופסק, מצב המטופלים הורע למצבם הקודם.

טביעה והתחשמלות

הטיפול המקובל לקורבנות טביעה והתחשמלות הוא שיטת הלחץ של שפר ((Shafer להנשמה מלאכותית. הניסיון הוכיח כי חזרתה של נשימה טבעית נעזרת ומשתפרת על ידי טיפול בחמצן ופחמן דו חמצני מאינהלטור, תוך כדי שמתבצעת הנשמה מלאכותית. לא רק שכך מקבלות הריאות אספקה עם ריכוז גבוה של חמצן, אלא מרכז הנשימה המדוכא גם הוא מגורה, על ידי דו-תחמוצת הפחמן, עם ההתחדשות המוקדמת של הפעילות העצבית שלא הייתה מתרחשת אחרת.

קטטוניה (קיפאון מנטלי / רגשי פסיכיאטרי)

לסיום, ראוי לציין את התצפיות יוצאות הדופן שדווחו על ידי א.ס. לובנהארט, בהן הוא מצא שאינהלציה של פחמן דו-חמצני, במקרים של קטטוניה, יצרה שיקום נפשי זמני של התגובות המנטליות והאינטלקטואליות. ההסבר הפשוט ביותר של התוצאות במקרים אלה, מבוסס על ההנחה שבמוחו של מטופל קטטוני חל כיווץ של כלי הדם בדומה לזה המתרחש בלב ובגפיים במקרים שנדונו קודם. אם השקפה זו אכן נכונה, הרי שהתועלות של האינהלציה הן הודות לשיפור במחזור הדם במוח בהשפעת הפחמן הדו חמצני על כלי דם העדינים.

 

 

 

יאנדל הנדרסון, ניו הייבן, קונטיקט

ספרות ענפה בנושא זה ניתן למצוא דרך המקורות הנלווים למאמרים הבאים:

Haldane, J.S.: Respiration, Yale University Press, 1922.

Henderson, Y.: Physiological Regulation of the Acid-Base Balance of the blood and Some Related Functions, Physical. Rev. 5:131 (April) 1925.

The Dangers of Carbon Monoxide Poisoning and Measures to Lessen These Dangers, J.A.M.A. 94: 179 (Jan.18) 1930.

Acapnia as a Factor in Post-operative Shock, Atelectasis and Pneumonia, Ibid. 95: 572 (Aug.23) 1930.

Incomplete Dilation of the Lungs as a factor in Neonatal Mortality, Ibid. 96: 495 (Feb.14) 1931.