MECHANISMS OF RESPIRATORY FUNCTION CHANGES AS RESULT OF AUTUMN AND WINTER AIR TEMPERATURE FALL

Full Text

Изучение сезонных изменений внешнего дыхания человека показало, что у жителей средних широт они направлены на стабилизацию температурного гомеостаза при дыхании холодным воздухом [2, 3, 5]. В зимнее время года уменьшается объем вентиляции легких [5, 7, 14], увеличивается воздушность респираторных отделов [2, 6, 14], функция внешнего дыхания оптимизируется. Основная перестройка происходит при переходе от осени к зиме. Однако механизм этих изменений до сих пор не расшифрован. В данной работе была поставлена задача: определить механизм функциональных изменений внешнего дыхания у жителей средних широт Западной Сибири при осенне-зимнем понижении температуры воздуха. Методы Для определения непосредственного действия вдыхаемого холодного воздуха на вентиляцию легких и его разведение в респираторных отделах 20 юношей-призывников в возрасте 18-25 лет, постоянно проживающих в г. Новосибирске, были обследованы при осенне-зимнем понижении температуры воздуха в сентябре, октябре и ноябре. Все они прошли медицинскую комиссию и были здоровы. Средняя длина тела обследованных составляла (174,0 + 4,5) см, масса тела - (68,6 ± 5,7) кг. Сначала их обследовали в помещении при комнатной температуре. Затем тепло одетые испытуемые выходили на открытую площадку, где находились в натурных условиях в течение 30 мин. Второй раз их обследовали сразу после возвращения в теплое помещение. Поскольку климат Новосибирской области континентальный с резкими изменениями температуры не только в течение года, но и в течение месяца, температура воздуха в ноябре опускалась до -30 °С. В разное время на площадке она составляла 0, -14, -24, -30 °С. Спирографию и определение легочных объемов проводили стандартным способом. После 20 мин пребывания в условиях относительного покоя определяли потребление кислорода (ПО2), показатели вентиляции и газообмена (минутный объем дыхания - МОД; частоту дыхания - ЧД; дыхательный объем - ДО; коэффициент использования кислорода - КИО2), статические легочные объемы (жизненную емкость легких - ЖЕЛ; емкость вдоха - Евд; резервный объем выдоха - РОвыд; остаточный объем легких - ООЛ; функциональную остаточную емкость - ФОЕ). Все показатели, за исключением КИО2, нормировали, то есть выражали в % к должным значениям для мужчин соответствующего возраста, длины и массы тела, проживающих в Западной Сибири [9]. С применением газоанализитора определяли парциальное давление кислорода и двуокиси углерода в выдыхаемом У 20 здоровых юношей-призывников, проживающих в Западной Сибири, изучены механизмы изменений внешнего дыхания при осенне-зимнем понижении температуры воздуха. Спирографию и определение легочных объемов проводили в теплом помещении и после пребывания в течение 30 минут на открытой площадке в натурных условиях при температуре воздуха в разное время от 0° до -30 °С. Установлено, что при понижении температуры вдыхаемого воздуха уменьшается дыхательный объем. Это повышает разведение вдыхаемого воздуха в теплом альвеолярном газе и стабилизирует температуру в респираторных отделах легких. Одновременно уменьшение дыхательного объема приводит к снижению минутной альвеолярной вентиляции и парциального давления кислорода в альвеолах. Последнее компенсируется повышением воздушности респираторных отделов, что увеличивает эффективность вентиляции и диффузионную способность легких. Таким путем согласуются гомеостатические функции внешнего дыхания и терморегуляции. Ключевые слова: внешнее дыхание, осенне-зимние изменения. воздухе (РЕО2 и РЕСО2) и альвеолярном газе (РАО2 и РАСО2). На основе этих показателей рассчитывали функциональное мертвое пространство (ФМП) и минутную альвеолярную вентиляцию (МАВ). Подробно методы исследования изложены в предыдущих работах [9, 10]. При статистическом анализе динамики количественных показателей использовали парный t-критерий Стьюдента. Достоверность результатов оценивали по уровню значимости р < 0,02. Исследование проведено без риска для здоровья людей с соблюдением всех принципов гуманности и этических норм (Хельсинкская декларация, 2000 г., Директивы Европейского сообщества 86/609) и одобрено Комитетом по биомедицинской этике НИИ физиологии Сибирского отделения РАМН. Результаты В табл. 1 представлены показатели внешнего дыхания у здоровых юношей-призывников в теплом помещении. Из приведенного материала следует, что потребление кислорода осенью при среднесуточной температуре 4 °С соответствует должным значениям для жителей средних широт Западной Сибири. Оно обеспечивается адекватной вентиляцией. Не отличаются от должных и другие показатели функции внешнего дыхания (КИО2, ДО), за исключением ЧД, которая повышена до верхнего предела нормы. Из статических легочных объемов только РОвыд ниже нормы на 7 % (р < 0,02) [10]. Таблица 1 Показатели внешнего дыхания у юношей-призывников в г. Новосибирске в осеннее время года в теплом помещении Показатель Значение показателя в % к должному (M±m) Показатель Значение показателя в % к должному (M±m) ПО2 100,0±2,0 ЖЕЛ 98,0±1,2 МОД 101,0±2,3 Евд 101,0±1,4 кио2’ 40,5±0,9 РОвыд 93,0±2,0 ЧД 106,0±2,5 ООЛ 106,0±3,6 ДО 99,0±2,3 ФОЕ 99,0±1,5 Примечания: ’ - показатель не нормирован; М - средняя арифметическая, m - стандартная ошибка среднего арифметического. Результаты измерений после пребывания на открытой площадке при осенне-зимнем понижении температуры воздуха приведены в табл. 2. Полученные данные показывают, что система внешнего дыхания реагирует на понижение температуры вдыхаемого воздуха, ограничивая глубину вдоха, в результате чего уменьшается дыхательный объем, что приводит к уменьшению минутной альвеолярной вентиляции и соответственно снижению парциального давления кислорода в альвеолярном газе. В результате насыщение крови кислородом снижается, что влечет за собой компенсаторное учащение дыхания. Минутный объем дыхания и МАВ при этом восстанавливаются, но дыхание становится частым и поверхностным. Стабилизация МАВ обеспечивает необходимый минимум потребления кислорода, т.е. восстанавливает уровень функции внешнего дыхания. В то же время ограничение дыхательного объема повышает разведение вдыхаемого воздуха в теплом альвеолярном газе (ДО -ФМП/ФОЕ -ФМП) и стабилизирует температуру в альвеолах. Таким путем согласуются две гомеостатические функции. При этом сезонная перестройка осуществляется за счет увеличения частоты дыхания, то есть сопровождается напряжением дыхательных мышц. Обсуждение результатов Полученные данные позволяют рассмотреть вопрос о функциональном механизме сезонных изменений внешнего дыхания. Уменьшение остаточного объема легких у здоровых мужчин при стабильных параметрах грудной клетки и мышечной силе можно объяснить только тем, что часть морфофункцинальных единиц респираторных отделов легких выключается из вентиляции и газообмена и переходит в функциональный резерв. В резервную ткань гелий не проникает и поэтому ее объем не регистрируется при измерении функциональной остаточной емкости [ 1]. Отсюда следует, что при низкой температуре воздуха, когда ООЛ уменьшается, площадь респираторной поверхности, охлаждающейся в процессе вентиляции, становится минимальной. Можно предполагать, что это выключение связано с повышением бронхиального сопротивления [6, 8]. Последнее отражает повышение тонуса гладкой мускулатуры бронхов и бронхиол, которое и приводит к перекрытию вентиляции части долек и ацинусов. Ограничение минутного объема дыхания зимой также уменьшает охлаждение легких. Аналогичной точки зрения придерживаются М. Т. Луценко с соавторами [5], G. G. Giesbrecht [12, 13]. Однако стабильное поддержание ПО2 при уменьшении легочной вентиляции возможно только при каких-то изменениях в респираторных отделах легких, которые позволяют повысить ее эффективность, чтобы компенсировать недостаточное обеспечение кислородного запроса организма. Последняя действительно достоверно возрастает, о чем можно судить по увеличению КИО2. К компенсаторным изменениям, влияющим на эффективность вентиляции, следует отнести увеличение соотношения РОвыд/ООЛ, то есть соотношения выдыхаемого воздуха и остающегося в легких после максимального выдоха. Если учесть, что в зимнее время года число вентилируемых ацинусов достоверно уменьшается, то увеличение РОвыд/ООЛ указывает на повышение воздушности тех структур, которые продолжают функционировать. При повышении воздушности, в результате растяжения межальвеоляр-ных перегородок, происходит увеличение площади респираторной поверхности и уменьшение толщины альвеолярно-капиллярной мембраны. Согласно закону Фика, это приводит к увеличению диффузионной способности легких [11, 15] и ускорению массоперено-са кислорода из альвеолярного газа в кровь легочных капилляров. В результате такой функциональной перестройки респираторных отделов легких эффективность легочной вентиляции в зимний период года повышается, что позволяет уменьшить ее объем. Таблица 2 Показатели внешнего дыхания у юношей-призывников в г. Новосибирске при осенне-зимнем понижении температуры воздуха Физическое значение показателя (M±m) Показатель Температура воздуха на открытой площадке, °С 0 - 10 -24 - 30 ПО9, мл-мин-1 301±6 303±6 304±4 - МОД, л-мин-1 9,15±0,45 7,81±0,32* 8,17±0,33 10,5±0,42 КИО/ об%0 40,5±0,9 47,3±1,6* 45,4+1,7* - ЧД, n-мин-1 15,0±0,8 14,0±0,9 16,0± 1,0 22,5± 1,3* ДО, мл 610±30 560±32 510±28* 430±23* МАВ, л-мин-1 6,71±0,30 5,61±0,28* 5,61±0,29* 6,59±0,33 ФМП, мл 160±5 160±5 160±5 170±6 РОвыд, мл 1040±25 1190±38* 1270±64* - ООЛ, мл 1610±50 1500±60* 1400±59* - ФОЕ, мл 2650±79 2690±88 2670±87 2520±76 РОвыд/ООЛ 0,64±0,02 0,79±0,04* 0,91±0,07* - Разведение вдыхаемого воздуха в р.о.л. 1:5,7 1:6,5 1:7,4 1:9,6 Примечания: * - различия с показателями при 0 °С достоверны (р < 0,02); р.о.л. - респираторные отделы легких; М - средняя арифметическая; m - стандартная ошибка среднего арифметического; - нет данных; т - показатель не нормирован. Заключение Обобщая основные результаты, относящиеся к осеннее-зимним изменениям в системе внешнего дыхания, можно заключить, что у жителей средних широт Западной Сибири они обусловлены годовой динамикой температуры воздуха. При низкой температуре происходит сокращение числа функционирующих ацинусов и объема легочной вентиляции, направленное на ослабление охлаждения респираторной ткани вдыхаемым холодным воздухом. Для стабильного поддержания потребления кислорода уменьшение вентиляции компенсируется повышением воздушности респираторных отделов, что позволяет увеличить диффузионную способность легких. Возможно, одновременно снижается и чувствительность дыхательного центра к изменениям газового состава крови [4].

About the authors

G S Shishkin

Federal State Budgetary Institution “Research Institute of Physiology under Siberian of the Russian Academy of Medical Sciences, Novosibirsk, Russia

N V Ustyuzhaninova

Federal State Budgetary Institution “Research Institute of Physiology under Siberian of the Russian Academy of Medical Sciences, Novosibirsk, Russia

Email: nvu@physiol.ru

References

Supplementary files