FUNCTIONAL CHANGES OF MILITARY MEN’S EXTERNAL RESPIRATION SYSTEM IN CONTRAST SEASONS IN THE ARCTIC

Full Text

На современном этапе арктический регион Земли становится одним из центров пересечения геостратегических интересов и выстраивания новой системы обеспечения глобальной и региональной безопасности. Одной из ключевых задач государственной политики Российской Федерации в Арктике является изучение влияния экстремальных факторов окружающей среды на человека, разработка требований по охране здоровья населения, обоснование комплекса мероприятий, направленных на оздоровление среды обитания населения и профилактику заболеваний [9, 13] . Известно, что организм человека в условиях высоких широт подвергается воздействию целого ряда неблагоприятных климатических факторов, как неспецифических (холод, высокая относительная и низкая абсолютная влажность воздуха, тяжёлый аэродинамический режим), так и специфических (изменение фотопериодизма, колебания атмосферного давления, факторы электромагнитной природы) [5, 12]. Холод среди них рассматривается как наиболее важный [3, 11, 13]. Считается, что влияние специфических климатических факторов Севера практически не блокируются социальными и другими мерами защиты [11]. В этой связи, несмотря на очевидный и значительный прогресс систем жизнеобеспечения, защищающих от неблагоприятных климатических условий северных территорий, до сих пор одной из самых уязвимых систем организма человека остается дыхательная система, особенно на этапе внешнего дыхания [4, 8, 10, 15]. На сегодняшний день известны результаты исследования по выявлению воздействия природно-климатических факторов арктической среды на состояние внешнего дыхания в контрастные сезоны года на широте 68°58' с. ш., 33°05' в. д. (г. Мурманск) [7, 16]. Настоящее исследование проведено в самой северной точке территории Российской Федерации, в условиях которой проживают и выполняют служебные задачи военнослужащие, - на острове Земля Александры, архипелаг Земля Франца-Иосифа (80°04' с. ш., 47°05' в. д.). Цель работы - выявить особенности функции внешнего дыхания в периоды полярной ночи и полярного дня у молодых мужчин, проходящих военную службу в арктической зоне Российской Федерации. Методы Основу настоящего исследования составили выполненные в полевых условиях динамические наблюдения за военнослужащими на острове Земля Александры. Обследовались одни и те же 20 мужчин в возрасте от 21 до 36 лет в ноябре - декабре (период полярной ночи) и в июле - августе (период полярного дня). Спирометрические измерения проводились в первой половине дня при дыхании атмосферным воздухом в условиях температурного В статье представлены результаты спирометрического обследования, проведённого в контрастные сезоны года у одних и тех же 20 военнослужащих на архипелаге Земля Франца-Иосифа (80°04' с. ш., 47°05' в. д.). Установлено, что жизненная емкость легких (ЖЕЛ) у обследованных в период полярной ночи увеличивается на 26,6 % по сравнению с этой величиной в период полярного дня (p = 0,001). Фракционный анализ ЖЕЛ выявил, что в полярную ночь повышается резервный объем выдоха на 21,4 % по сравнению с таковым в полярный день (р = 0,006), а резервный объём вдоха и дыхательный объём не имеют статистически значимых сезонных различий. Потребление кислорода в полярную ночь на 16,6 % выше, чем в полярный день (р = 0,015). Расчет величин одного дыхательного и одного сердечного циклов у военнослужащих показал статистически значимое повышение их в полярную ночь по сравнению с величинами полярного дня (р = 0,002 и р = 0,005 соответственно). Ключевые слова: Арктика, военнослужащие, внешнее дыхание, полярная ночь, полярный день 3 Экологическая физиология Экология человека 2014.06 комфорта и относительного покоя в положении сидя, через 1,5-2 часа после принятия пищи, после 20-минутного отдыха. Обследование контингента осуществлялось с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации и директивах Европейского сообщества (8/609 ЕС). Для определения функционального состояния системы внешнего дыхания у военнослужащих использовался метод спирометрии. С этой целью применялся спирограф микропроцессорный портативный СМП-21/01-«РД», обеспечивающий приведение измеренных и вычисленных объемных и скоростных показателей к стандартным газовым условиям (BTPS). При подготовке к обследованию военнослужащие были ознакомлены с применяемой аппаратурой. Кроме того, отбирался выдыхаемый воздух, анализировался его состав газоанализатором ПГА-200 для последующего расчета показателей газообмена, которые приводились к системе STPD, определялось насыщение артериальной крови кислородом (SpO2) при помощи электронного пульсового оксиметра ОХ-700. В выдыхаемом воздухе определялось содержание кислорода (FeO2), углекислого газа (FeCO2), рассчитывались потребление кислорода (ПО2), коэффициент использования кислорода (КИО2), кислородный эффект одного дыхательного (O2rc) и одного сердечного (O2cc) циклов. Анализ полученных результатов исследования проводился с помощью статистического пакета SPSS 13.0. В связи с малым размером выборки было принято считать распределение данных отличающимся от нормального [17], использовался дисперсионный анализ по Фридману, для попарных сравнений - критерий Вилкоксона с поправкой Бенферрони. Результаты обработки данных представлялись в виде медианы (Md), первого (Q1) и третьего (Q3) квартилей. Для статистического изучения связи между явлениями применялся коэффициент ранговой корреляции Спирмена (rs). При использовании коэффициента ранговой корреляции оценивали тесноту связей между признаками, считая значения коэффициента от 0,01 до 0,29 показателями слабой тесноты связи; значения от 0,30 до 0,69 - показателями средней тесноты связи, а значения от 0,70 до 0,99 - показателями сильной тесноты связи [6]. Критический уровень значимости (p) для всех проверяемых статистических гипотез принимался равным 0,05. Результаты Полученные данные показали наличие функциональных изменений в системе внешнего дыхания у военнослужащих в периоды полярного дня и полярной ночи. Так, при анализе динамики легочных объемов и ёмкостей установлено статистически значимое увеличение на 26,6 % жизненной емкости легких (ЖЕЛ) в период полярной ночи в сравнении с аналогичным показателем в полярный день (p < 0,001) (табл. 1). Таблица 1 Легочные объемы и емкости у военнослужащих в контрастные сезоны года Md (Q1; Q3) Показатель Полярная ночь Полярный день p ЖЕЛ, л 8,1 (7,4; 8,3) 6,4 (5,6; 7,2) 0,001 ДО, л 1,08 (0,89; 1,38) 0,97 (0,82; 1,45) 0,160 РОвд, л 2,15 (1,18; 2,60) 1,08 (0,55; 2,43) 0,140 РОвыд, л 4,83 (4,40; 5,60) 3,98 (1,58; 4,96) 0,006 При фракционном анализе ЖЕЛ выявлено, что в период полярной ночи наблюдается повышение на 21,4 % величины резервного объема выдоха (РОвыд) по сравнению с таковой в период полярного дня (р = 0,006), в отличие от резервного объёма вдоха (РОвд) и дыхательного объёма (ДО), которые не имеют статистически значимых сезонных различий. При этом обратные взаимосвязи средней тесноты между РОвд и РОвыд стабильно регистрируются и практически не изменяются в контрастные сезоны года (табл. 2). Таблица 2 Взаимосвязи между легочными объемами и емкостями у военнослужащих в контрастные сезоны года Взаимосвязь Полярная ночь Полярный день ЖЕЛ - РОвд r 0,147 0,364 p 0,538 0,115 ЖЕЛ - РОвыд r 0,326 -0,101 p 0,161 0,673 РОвд РОвыд r -0,513 -0,809 p 0,021 <0,001 Проведенный расчет отношения ДО к ЖЕЛ в контрастные сезоны года показал, что военнослужащие при дыхании в состоянии покоя в период полярной ночи используют 13,3 % абсолютной величины ЖЕЛ, а в период полярного дня - 15,2 %. Полученные величины несколько ниже, чем данные исследования, проведенного Н. Г. Варламовой с со-авт. [2], в ходе которого установлено, что у молодых мужчин 18 - 22 лет, проживающих в Республике Коми, величина ДО в годовом цикле колеблется от 15,1 до 16,5 % ЖЕЛ. В то же время молодые мужчины - уроженцы Архангельской области используют в состоянии покоя 14,1 % от абсолютной величины ЖЕЛ [10]. Величина РОвд у обследованных военнослужащих составила 26,5 % ЖЕЛ в период полярной ночи, причем она несколько уменьшается в период полярного дня (16,9 % ЖЕЛ). Эти величины меньше значений, установленных для молодых мужчин Республики Коми (30,5 %) и уроженцев Архангельской области (44,0 %) [2, 10]). Резервный объем выдоха у обследованных военнослужащих находился в диапазоне 59,6-62,2 % ЖЕЛ соответственно в периоды полярной ночи и полярного дня. Полученные величины больше данных, приведенных для жителей Республики Коми, - у 4 Экология человека 2014.06 Экологическая физиология мужчин в годовом цикле от 40,9 до 51,6 % ЖЕЛ [2], у жителей Архангельской области величина РОвыд составляет 40,4 % от ЖЕЛ [10]. Выявлено также наличие статистически значимых функциональных изменений у военнослужащих в показателях легочного газообмена в периоды полярного дня и полярной ночи (табл. 3). Таблица 3 Показатели легочного газообмена у военнослужащих в контрастные сезоны года Md (Q1; Q3) Показатель Полярная ночь Полярный день p FeO2, % 16,9 (16,4; 17,3) 17,9 (17,6; 18,3) 0,006 FeCO2, % 2,1 (1,7; 2,5) 2,8 (2,6; 3,2) <0,001 ПО2, мл/мин 548,8 (432,9; 677,1) 470,9 (270,2; 571,8) 0,015 КИО2, мл/л 46,8 (41,1; 52,2) 30,4 (25,9; 33,6) 0,003 02RC, мл 40,2 (35,2; 46,7) 27,5 (18,5; 41,0) 0,002 02CC, мл 7,4 (5,7; 9,2) 5,6 (3,7; 7,1) 0,005 SpO2, % 97 (96; 97) 97 (97; 98) 0,170 Важным показателем, характеризующим обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров, является величина ПО2, которая определяется внутренней потребностью в нем клеток и тканей и осуществляется на уровне целостного организма [1]. Анализ полученных результатов показал зависимость данного показателя от сезона года. Величина ПО2 в период полярной ночи была на 16,6 % выше, чем в период полярного дня (р = 0,015), что связано, вероятно, с интенсификацией окислительного метаболизма в период полярной ночи. Анализ полученных данных показал, что величина КИО2 в период полярной ночи была статистически значимо выше, чем в период полярного дня (р = 0,003); она, как известно, зависит от условий диффузии кислорода, объема альвеолярной вентиляции и совершенства координации легочной вентиляций с кровообращением в малом круге. Расчет величин O2rC и О2СС у военнослужащих показал статистически значимое увеличение их в период полярной ночи по сравнению со значениями в период полярного дня (р = 0,002 и р = 0,005 соответственно), что указывает на сниженную экономичность одного дыхательного и одного сердечного циклов в полярную ночь. Результаты измерения величины SpO2 у обследованных в контрастные сезоны года не выявили значимых различий, отмечен достаточно стабильный уровень данного показателя в пределах 97 % в период как полярной ночи, так и полярного дня. Необходимо отметить, что в норме величина SpO2 составляет (93,0 ± 2,3) %. При стрессовых ситуациях и физических нагрузках насыщение артериальной крови кислородом может достигать 95-98 % [1]. Обсуждение результатов Известно, что величина ЖЕЛ косвенно указывает на максимальную площадь дыхательной поверхности легких, обеспечивающей газообмен, и в целом косвенно характеризует аэробные возможности системы внешнего дыхания. Повышенное значение ЖЕЛ в течение полярной ночи по сравнению с таковым в течение полярного дня также можно интерпретировать как компенсаторно-приспособительную реакцию организма, направленную на увеличение площади дыхательной поверхности легких, обеспечивающей газообмен, и тем самым удовлетворяющую повышенные метаболические потребности организма в холодный период года. Помимо газообменной функции легкие осуществляют согревание и насыщение влагой воздуха, поступающего в дыхательные пути. Поэтому увеличение ЖЕЛ у военнослужащих в период полярной ночи является целесообразной компенсаторно-приспособительной реакцией организма, направленной не только на обеспечение усиленного метаболизма, но и на кондиционирование вдыхаемого воздуха. В настоящее время становится общепризнанным фактом, что величина РОвыд, которая является второй составляющей ЖЕЛ и первой составляющей функциональной остаточной емкости легких, более важна для стабилизации дыхания, чем значение РОвд [14, 18]. Связано это с тем, что РОвыд играет важную роль в механизмах регуляции и накопления метаболического СО2, поскольку в функциональном отношении РОвыд представляет собой буферную емкость проводящих воздухоносных путей, снижающую возможность беспрепятственного выделения метаболического CO2 через легкие наружу [1]. Поэтому можно предположить, что в период полярной ночи в респираторной системе появляются реакции в виде увеличения РОвыд, направленные на стабилизацию дыхания. Кроме того, физиологический смысл повышения РОвд и РОвыд в период полярной ночи заключается в том, что оно дает возможность значительно увеличить легочную вентиляцию за счет использования этих объемов как в покое, так и при физической нагрузке, а значит, повысить поступление кислорода в легкие и выделение углекислого газа из организма в холодный период года. Таким образом, у молодых мужчин, проходящих военную службу в условиях Арктики, в системе внешнего дыхания со стороны статических легочных объемов и емкостей происходят сезонные перестройки. В период полярной ночи по сравнению с полярным днем увеличиваются величины ЖЕЛ и РОвыд, изменяются структура ЖЕЛ и характер взаимосвязей между ее составляющими. Наряду с целесообразными компенсаторно-приспособительными реакциями системы внешнего дыхания, направленными на уравновешивание с внешней средой, имеются элементы скрытых функциональных нарушений. Так, на фоне напряженной деятельности системы внешнего дыхания газообменная эффективность вентиляции, экономичность одного дыхательного и одного сердечного циклов в период полярной ночи снижаются. Такие скрытые функциональные нарушения могут становиться факторами пульмонологического риска.

About the authors

A B Gudkov

Northern State Medical University; Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Email: gudkovab@nsmu.ru

S P Ermolin

Federal Security Service Department in Arkhangelsk Region

O N Popova

Northern State Medical University; Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

A S Sarychev

Northern State Medical University

References

Supplementary files