CHARACTERISTIC OF DYNAMIC LUNG VOLUMES, SPARE CAPACITIES AND VENTILATION EFFECTIVENESS IN FAR NORTH RESIDENTS DURING CONTRASTIVE YEAR SEASONS

Abstract

In the contrastive year seasons (the polar day, polar night), there has been carried out a study of the external respiration function in teen-agers (40 youths, 39 girls) living in Murmansk. Increased intensity of work of the apparatus of external respiration in the period of the polar night has been detected, in comparison with the polar day period both in the youths and the girls. Effectiveness of alveolar ventilation has been decreased, and respiration spare capacities have been reduced, especially in the girls.

Full Text

Территории Крайнего Севера по совокупности климатических характеристик и с учетом общебиологического действия неспецифических и специфических факторов окружающей среды в целом относятся к зоне дискомфортных районов с элементами выраженной экстремальности по ряду параметров [10, 21], которые осложняют труд, быт и отдых проживающих здесь людей [14, 20, 31], предъявляя повышенные требования к функциональным системам их организма [2, 13, 23, 30]. Природно-климатические факторы Крайнего Севера оказывают влияние на многие функциональные системы организма человека, но в первую очередь на систему дыхания, поскольку она не может быть защищена от внешних воздействий надежным искусственным барьером. При этом существует мнение о том, что влияние специфических климатических факторов Крайнего Севера, таких, как колебания атмосферного давления, факторы электромагнитной природы и изменения фотопериодизма, практически не блокируется социальными и другими мерами защиты [25]. Поэтому, 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, особенно на этапе внешнего дыхания [22, 27]. Функциональные изменения в системе внешнего дыхания у взрослых людей изучались в условиях как Азиатского Севера [5, 12, 23, 33], так и Европейского [8, 18, 22, 32]. Это позволило выявить особенности и закономерности функционального состояния дыхательной системы у жителей Севера, а также характер компенсаторно-приспособительных реакций респираторной системы, направленных на уравновешивание с внешней средой. Вместе с тем исследования внешнего дыхания у взрослых жителей Крайнего Севера немногочисленны [4, 9, 16, 19], а сведения о его особенностях в контрастные сезоны года носят фрагментарный характер [17]. Кроме этого, поскольку на Крайнем Севере дыхательной системе отводится особая роль в обеспечении организма кислородом для поддержания соответствующего уровня окислительновосстановительных процессов, кислотно-щелочного баланса и в физической терморегуляции, в рамках экологической физиологии и северной медицины представляется актуальным изучать адаптивное поведение системы органов дыхания у жителей этих территорий, как с теоретической, так и с практической точек зрения. Все вышеперечисленное и побудило провести настоящее исследование. Методы Функция внешнего дыхания была изучена у студентов, практически здоровых лиц, родившихся и проживающих в городе Мурманске (68°59' с. ш., 33°5' в. д.). Их отбирали, используя официальный критерий 10 Экология человека 2012.12 Окружающая среда ВОЗ, согласно которому здоровыми считаются те, кто не имеет хронических заболеваний, освобождения от работы или учебы по поводу острого заболевания, жалоб в день обследования, и у кого при объективном осмотре в кабинете функциональной диагностики не обнаруживали скрытую легочную патологию. Обследовались одни и те же лица в декабре — январе (полярная ночь) и в мае — июне (полярный день). Всего 79 человек: 40 юношей (средний возраст 20,2 (19,6; 20,7) года) и 39 девушек (средний возраст 19,5 (19,1; 19,8) года). Непосредственно до начала исследования измерялись длина и масса тела. Антропометрия проводилась по общепринятой методике. Несмотря на то, что антропометрические показатели не являются респираторными, но ввиду их связи со многими параметрами дыхания и использования для расчетов должных величин, они представлены в табл. 1. Таблица 1 Антропометрические показатели у жителей Крайнего Севера в контрастные сезоны года n = 79 (M = 40; Ж = 39) Показатель Пол Период обследования р-уро- Полярный день Полярная ночь вень Длина тела, см М Ж 178,4 ± 7,6 167,2 ± 5,5 178.1 ± 7,4 167.1 ± 5,6 0,382 0,147 Масса тела, кг М Ж 68.5 (62,0; 74,7) 56.5 (53,0; 62,8) 70.5 (61,4;74,4) 55.5 (52,3; 64,9) 0,059 0,414 Поскольку антропометрические показатели в динамике обследования как у юношей, так и у девушек изменились статистически незначимо, то и должные величины деятельности внешнего дыхания в контрастные сезоны года не имели значимых отличий. Исследования проводились в условиях, приближенных к основному обмену: в первой половине дня, через 1,5—2 часа после принятия пищи, после 20-минутного отдыха, при температурном комфорте и относительном покое. Все показатели регистрировались в положении сидя. При подготовке к обследованию особое внимание было уделено предварительной тренировке, которая, согласно рекомендациям [6], заключалась прежде всего в ознакомлении испытуемых с применяемой аппаратурой. После того, как они убеждались в том, что дыхание в аппарат практически не отличается от свободного дыхания, и приобретали необходимые навыки, приступали к записи спирограммы. Во время записи отмечали ритм и характер дыхания, наблюдая за тем, чтобы обследуемый не изменял характера своего естественного дыхания, в противном случае фиксирование спирограммы останавливалось. Для изучения функционального состояния системы внешнего дыхания использовался спирограф микропроцессорный портативный СМП-2/01-«Р-Д» (Россия), который автоматически обеспечивал приведение легочных объемов, емкостей и показателей вентиляции к стандартным условиям BTPS (к условиям организма: температуре тела (37 0С), окружающему атмосферному давлению и полному насыщению водяными парами при этой температуре). Известно, что для полной характеристики состояния системы внешнего дыхания используется около 40 параметров, которые отражают основные функции легких [3, 28]. В связи с этим нами был отработан стандартный для всех контингентов и серии исследования подход к оценке функционального состояния системы внешнего дыхания у уроженцев Крайнего Севера. Для регистрации минутного объема дыхания (МОД) и частоты дыхания (ЧД) обследуемый спокойно дышал в датчик спирографа в течение 60 секунд. Поскольку вдыхаемый воздух не весь доходит до альвеол, около 33 % его не участвует в газообмене и составляет объем мертвого пространства, важное значение имеет величина минутной альвеолярной вентиляции (МАВ), которая была рассчитана по формуле [24]: МАВ = (ДО - ФМП) X ЧД, где ДО — дыхательный объем; ФМП — функциональное мертвое пространство: 0,15 л (мужчины); 0,14 л (женщины) [15]. Кроме МАВ определяли величину эффективности вентиляции (ЭВ) по формуле [15]: ЭВ = МАВ : МОД χ 100. Для определения максимальной вентиляции легких (МВЛ) обследуемому предлагалось выполнить дыхательные циклы с максимальными амплитудой вдоха — выдоха и частотой. Его просили дышать «чаще и глубже», объясняя маневр необходимостью узнать, сколько «воздуха может пройти через легкие». С целью предупреждения развития гипокапнии, возникающей из-за искусственной гипервентиляции, время записи пробы согласно рекомендациям Т. М. Голиковой и Л. Н. Любченко [11] было ограничено до 15 секунд. Для оценки функциональных способностей аппарата дыхания у обследованных был определен резерв дыхания (РД). Величина РД определялась по разнице между МВЛ и МОД в состоянии покоя. Кроме определения абсолютной величины РД также были вычислены его относительные цифры (в % от МВЛ). Анализ полученных результатов проводился с помощью статистического пакета SPSS 15.0 [7]. Проверка на нормальность распределения измеренных переменных осуществлялась при помощи теста Шапиро — Уилка (n < 50). В случае нормального распределения переменных применялись параметрические методы (Т Стьюдента) для зависимых выборок, при ненормальном — непараметрические (Вилкоксона) [29]. Значимость различий между динамикой показателей и гендерной принадлежностью оценивалась с помощью χ2 Пирсона. Результаты непараметрических методов обработки данных представлялись в виде медианы (Md), первого (Q1) и третьего (Q3) квартилей, параметрических — в виде среднего значения (М) и стандартного отклонения (s). Критический уровень 11 Окружающая среда Экология человека 2012.12 значимости (p) для всех проверяемых статистических гипотез принимался равным 0,05. Обследование контингентов проводилось с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации и Директивах Европейского сообщества (8/609 ЕС). Результаты В общем комплексе методов и проб, используемых при функциональном исследовании аппарата внешнего дыхания, большое место занимает изучение легочной вентиляции в покое, поскольку основное ее предназначение заключается в поддержании парциального давления кислорода в альвеолярном газе. Наиболее ярко отражает функциональные особенности аппарата внешнего дыхания такой показатель легочной вентиляции, как величина МОД. У жителей Крайнего Севера установлено статистически значимое повышение минутной легочной вентиляции как у юношей (р < 0,001), так и у девушек (p = 0,042) в период полярной ночи по сравнению с периодом полярного дня (табл. 2). Таблица 2 Показатели динамических легочных объемов у жителей Крайнего Севера в контрастные сезоны года n = 79 (M = 40; Ж = 39) Показа- Пол Период обследования р-уротель Полярный день Полярная ночь вень МОД, л/мин М1 Ж1 9,84 (8,64; 13,9) 8,23 (6,83; 10,03) 12,8 (11,2; 18,3) 9,3 (8,4; 13,9) 0,001 0,042 ЧД, кол./мин М2 Ж1 14,8 ± 4,5 15,0 (12,0; 20,0) 16,5 ± 4,7 16,0 (12,0; 21,0) 0,012 0,757 МВЛ, л/мин М1·2 Ж2 100,9 (52,1; 135,0) 81,0 (57,6; 96,0) 107,40 ± 3,79 73,0 (45,8; 102,8) 0,383 0,535 Примечание. Сравнение зависимых выборок осуществлялось: 1 — непараметрическим критерием Т Вилкоксона, (Мd (Q: — Q3)); 2 — параметрическим критерием Т Стьюдента, (М ± s). Причем величина МОД в период полярной ночи превышает значения МОД в полярный день на 30,1 % (р = 0,001) у юношей и на 13,0 % (р = 0,042) у девушек (рис. 1). □ юноши ^девушки Рис. 1. Изменения динамических легочных объемов у жителей Крайнего Севера в полярную ночь по сравнению с полярным днем Примечание. За 100 % приняты величины в полярный день. Различия по сравнению с полярным днем статистически значимы: * - р < 0,05; *** - р < 0,001. Увеличение МОД в период полярной ночи статистически значимо чаще встречалось у девушек по сравнению с юношами (р = 0,021; χ2 = 5,296). Величины МВЛ у жителей Крайнего Севера в контрастные сезоны года не имели статистически значимых различий ни у юношей, ни у девушек (см. табл. 2). При сравнительном анализе статистических показателей установлено, что величина РД в полярную ночь была несколько ниже, чем в период полярного дня (табл. 3). Таблица 3 Показатели резервных возможностей и эффективности вентиляции у жителей Крайнего Севера в различные сезоны световой апериодичности n = 79 (M = 40; Ж = 39) Показа- Пол Период обследования р-уротель Полярный день Полярная ночь вень РД, л/мин Ми Ж1 91,4 (40,6; 126,3) 69,6 (52,4; 83,6) 90,1 ± 39,9 63,4 (35,6; 90,3) 0,798 0,295 Относи тельный РД, % М1 Ж1 89,1 (76,1; 92,5) 89,0 (82,6; 92,0) 87.0 (81,1; 90,2) 86.0 (73,5; 90,5) 0,968 0,029 МАВ, л/ мин М1 Ж1 8,36 (6,94; 13,2) 6,30 (4,60; 7,60) 11,8 (9,32; 15,5) 7,56 (5,95; 11,4) <0,001 0,026 ЭВ, % М1 Ж1 81,3 (76,7; 84,5) 74,1 (69,1; 78,7) 82,7 (78,6; 86,5) 79,6 (73,3; 84,3) 65 71 О О 0, 0, Примечание. Сравнение зависимых выборок осуществлялось: 1 — непараметрическим критерием Т Вилкоксона, (Мd (Qj — Q3)); 2 — параметрическим критерием Т Стьюдента, (М ± s). В период полярной ночи снижение РД достигает почти 10 %, и в большей степени это происходит у девушек, чем у юношей (рис. 2.) РД Отн.РД МАВ ЭВ □ юноши Ш девушки Рис. 2. Изменения показателей резервных возможностей и эффективности вентиляции у жителей Крайнего Севера в полярную ночь по сравнению с полярным днем Примечание. За 100 % приняты величины в полярный день. Различия по сравнению с полярным днем статистически значимы: * — р < 0,05; *** — р < 0,001. Несмотря на несомненно большую значимость МОД в общем комплексе оценки состояния внешнего дыхания, необходимо учитывать, что эта величина не является абсолютным показателем эффективности альвеолярной вентиляции. В связи с этим у обследованных жителей Крайнего Севера была определена МАВ, щт 12 Экология человека 2012.12 Окружающая среда показывающая реальное количество провентилированного воздуха, дошедшего до альвеол и участвующего в газообмене. Выявлено, что в период полярной ночи величины МАВ значительно и статистически значимо превышают таковые в полярный день (см. табл. 3). Так, величина МАВ в период полярной ночи выше у юношей на 41,1 % (р < 0,001), а у девушек — на 20 % (р = 0,026) (см. рис. 2). Однако величина ЭВ при этом возросла незначительно (см. табл. 3): у девушек — на 7,4 % (р = 0,015), а у юношей — лишь на 1,7 % (р = 0,076) (см. рис. 2). Обсуждение результатов Величина МОД является непосредственным результатом работы системы внешнего дыхания, которая обеспечивает поддержание скорости поступления кислорода в легкие и выведение углекислого газа на необходимом уровне. Легочная вентиляция находится в тесной зависимости от интенсивности процессов метаболизма в организме. Поэтому в период полярной ночи усиление вентиляции у жителей Крайнего Севера является важным приспособительным механизмом внешнего дыхания в ответ на повышенную потребность организма в кислороде, направленную на обеспечение усиленного тканевого метаболизма при повышенных энергозатратах. Характерной особенностью усиления вентиляции легких в период полярной ночи является то, что она преимущественно обусловлена значительным увеличением ДО при незначительном росте ЧД. Величина ЧД зависит от МОД, и, вероятно, организм сам выбирает наиболее рациональные пути взаимоотношений между МОД, ЧД и ДО. Можно предположить, что в экстремальных условиях Крайнего Севера более рациональным следует считать увеличение МОД за счет большего повышения ДО, чем ЧД. Такой механизм обеспечения необходимого уровня легочной вентиляции для организма будет являться менее энергозатратным. Однако следует заметить, что при компенсаторном увеличении МОД в период полярной ночи вентиляционный аппарат будет находиться в состоянии функционального напряжения. Кроме необходимости обеспечения повышенного метаболизма в литературе обсуждаются и другие причины увеличения вентиляции в состоянии покоя у северян. Так, предполагается, что в морфологической структуре респираторных отделов легких у жителей Севера имеются какие-то изменения. Морфологической основой данного функционального сдвига может быть умеренный интерстициальный отек межальвеолярных перегородок, который у северян был подтвержден электронно-микроскопически А. П. Авцыным, А. П. Миловановым [1], что, в свою очередь, приводит к ухудшению проницаемости аэро-гематического барьера [9], а также исчезновение части альвеол в респираторных бронхиолах [26]. Такие морфологические изменения вызывают усиление неравномерности газообмена в микроструктурах ацинусов, что находит функциональное выражение в возникновении альвеолярного мертвого пространства. В связи с этим усиленную вентиляцию, вероятно, можно отнести к состоянию пульмонологического риска. Видимо, данный механизм усиления вентиляции в покое может иметь место и у жителей Крайнего Севера в период полярной ночи. Величина МВЛ у жителей Крайнего Севера в контрастные сезоны года не имела статистически значимых различий как у юношей, так и у девушек, что указывает на достаточно стабильный уровень предельных способностей аппарата внешнего дыхания у них. В оценке функционального состояния дыхательной системы наряду с МОД и МВЛ большое значение имеет определение величины РД. Чем выше РД, тем совершеннее функция аппарата внешнего дыхания, и наоборот, чем ниже РД, тем меньшие жизненные требования могут предъявляться к организму. Полученные показатели РД у жителей Крайнего Севера в полярную ночь были несколько ниже, чем в период полярного дня, что указывает на снижение функциональных возможностей системы внешнего дыхания в этот сезон года. Статистический анализ показал, что в период полярной ночи величины МАВ, характеризующей реальное количество воздуха и воздуха, участвующего в газообмене, значительно и статистически значимо превышают показатели МАВ в полярный день как у юношей, так и у девушек. Однако при этом величина ЭВ возросла незначительно, что может косвенно указывать на меньшую эффективность альвеолярной вентиляции у жителей Крайнего Севера в период полярной ночи по сравнению с периодом полярного дня. Возможно предположить, что этот факт говорит о существовании у жителей Крайнего Севера функционального механизма, затрудняющего газообмен на уровне альвеол, особенно в период полярной ночи. Таким образом, проведенные в контрастные сезоны световой апериодичности исследования динамических легочных объемов у жителей, родившихся и проживающих на Крайнем Севере, указывают на более напряженную работу у них аппарата внешнего дыхания в период полярной ночи по сравнению с периодом полярного дня. При этом эффективность альвеолярной вентиляции и резервные возможности дыхания снижаются, особенно у девушек.