FEATURES OF PULMONARY GAS EXCHANGE EXTERNAL BREATH REACTION TO LOCAL COLD INFLUENCE IN YOUNG ABLE-BODIED PERSONS

Full Text

Система внешнего дыхания играет значимую роль Как правило, влияние неблагоприятных климатичев адаптивных реакциях к условиям Севера и нахо- ских факторов вызывает реакцию системы внешнего дится в состоянии напряжения на фоне постоянного дыхания, характеризующуюся высокой реактивностью контакта с окружающей средой [3, 6, 8]. и приводящую к реализации адаптационно-приспо- 33 Экологическая физиология Экология человека 2018.05 собительных возможностей организма [1]. Одним из мощных факторов среды, воздействующих на человека, является низкая температура воздуха. Степень ее влияния зависит от локализации и площади охлаждаемой поверхности тела, длительности воздействия, а также от величины [2, 18, 20]. Холодовой фактор в производственных условиях на Севере оказывает воздействие на верхние дыхательные пути, лицо, кисти и стопы, что, в свою очередь, может приводить к различным изменениям системы внешнего дыхания, влиять на сердечно-сосудистую систему и физическую работоспособность, а также вызывать болезни и другие повреждения здоровья, возникновение, тяжесть клинического течения и исходы которых этиологически и патогенетически связаны с воздействием холода [9, 10, 15, 17]. Известно, что существуют три уровня холодового воздействия, которые могут вызывать различное напряжение организма: при 24 °С - легкое, при 15 °С - среднее; при 8 °С - сильное [12]. В настоящее время имеются научные работы, связанные с изучением влияния локальной гипотермии на систему внешнего дыхания человека, в частности на функцию легочного газообмена [5, 19]. Однако большинство из них отражает реакции дыхательной системы при температуре локального охлаждения в диапазоне от 4 до 11 °С, т. е. вызывающих сильное напряжение организма. В условиях производства локальное холодовое воздействие на кисти и стопы может быть менее интенсивным [11, 19]. В связи с этим целью данного исследования стало выявление особенностей реакции легочного газообмена у молодых лиц трудоспособного возраста на локальное холодовое воздействие температурами, способными вызвать легкое и среднее напряжение организма. Методы Изучены показатели легочного газообмена у 30 юношей и 30 девушек в возрасте 18-24 лет (средний возраст (21,3 ± 2,3) и (19,8 ± 2,7) года соответственно), родившихся и постоянно проживающих на Европейском Севере России, при локальном холодовом воздействии на кожу кисти и стопы. Исследование осуществлено с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации. В число обследуемых не были включены юноши и девушки, имеющие значительные отклонения в состоянии здоровья, хронические заболевания органов дыхания, курящие и перенесшие какие-либо острые заболевания за последние 3 месяца. Исследование выполнялось при помощи эргоспирометрической системы Оксикон Про (OxyconPro). На начальном этапе исследования проводился анализ выдыхаемого воздуха по следующим показателям: потребление кислорода (ПО2), минутное выделение углекислого газа (ВСO2), вентиляционный эквивалент по углекислому газу (ВЭСО2), вентиляционный эквивалент по кислороду (ВЭО2) и дыхательный коэффициент (ДК). Следующий этап заключался в проведении локального охлаждения кожи кисти. Обследуемый опускал кисть на 1 мин в сосуд с водой, температура которой последовательно составляла 24, 15 и 8 °С. Сразу после охлаждения проводился повторный анализ выдыхаемого воздуха. Интервал восстановления между пробами составлял 25-30 мин [7]. Изучение выдыхаемого воздуха при охлаждении стопы проводился в аналогичной последовательности. Обработка данных выполнялась с помощью статистического пакета программ SPSS 23.0. Результаты описательной статистики представлялись в виде медианы (Md), первого и третьего квартилей (Q1 и Q3 соответственно). Использовался критерий Фридмана, для попарных сравнений - непараметрический двухвыборочный критерий Вилкоксона. Критический уровень значимости - p < 0,05. Результаты Проведенное исследование позволило выявить изменения показателей легочного газообмена при локальном охлаждении кожи кисти у юношей и девушек (табл. 1). Так, у девушек по сравнению с фоновыми значениями после охлаждения кисти наблюдалось статистически значимое увеличение показателей вентиляционного эквивалента по кислороду на 7,6 % (р = 0,001), 7,6 % (р = 0,028) и 6,4 % (р = 0,008) при 24, 15 и 8 °С соответственно (рис. 1). Дыхательный коэффициент также оказался значимо выше после охлаждения водой температурой 24 °С на 3,9 % (р < 0,001), при 8 °С на 2,6 % (р = 0,011). Вентиляционный эквивалент по углекислому газу значимо возрос на 5,4 % (р = 0,032) после охлаждения водой температурой 8 °С. Показатели потребления кислорода и минутного выделения углекислого газа статистически значимо не изменялись. Рис. 1. Изменение показателей легочного газообмена в ответ на локальное охлаждение кисти водой температурой 24, 15 и 8 °С у девушек Примечание. За 100 % принята исходная величина до холодового воздействия. Изменения по сравнению с исходным состоянием статистически значимы: * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001. У юношей отмечалось только значимое увеличение дыхательного коэффициента на 7,8 % (р = 0,002) при охлаждении водой температурой 24 °С (рис. 2). 34 Экология человека 2018.05 Экологическая физиология Таблица 1 Изменение показателей легочного газообмена у юношей и девушек в ответ на локальное охлаждение кисти n = 30 (д), n = 30 (м) Показа тель Пол Фон После локального охлаждения при 24 °С (2), 15 °С (3) и 8 °С (4) р р 1-2 р 1-3 р 1-4 1 2 3 4 П02, мл/мин М 374,5 (269,3- 452,3) 339,0 (291,8- 408,5) 334,5 (298,8- 407,5) 325,0 (265,5- 404,8) 0,350 Ж 237,5 (161,3- 322,3) 228,5 (177,0- 287,0) 229,5 (169,3- 281.8) 222,5 (163,0- 263,0) 0,759 ВСО2, мл/мин М 287,0 (199,0- 352,5) 273,5 (214,5- 340,3) 263,5 (217,3- 315,3) 249,5 (202,8- 298,8) 0,114 Ж 197,0 (107,5- 240,8) 183,5 (145,0- 226,5) 173,0 (134,3- 219,3) 167,0 (117,5- 205,5) 0,357 ВЭСО2, л М 31,7 (30,3-35,1) 33,2 (31,3-35,7) 33,5 (30,8-35,5) 33,5 (31,0-36,5) 0,615 Ж 33,1 (30,4-35,3) 33,6 (30,5-36,4) 34,6 (31,7-37,2) 34,9 (32,7-37,8) 0,032 0,393 0,061 0,032 ВЭО2, л М 24,6 (22,6-28,0) 26,2 (24,2-30,1) 26,0 (23,4-27,9) 26,5 (23,4-29,7) 0,196 Ж 25,0 (22,0-27,6) 26,9 (22,9-29,8) 26,9 (22,8-30,3) 26,6 (23,6-31,4) 0,003 0,001 0,028 0,008 ДК М 0,77 (0,71-0,83) 0,83 (0,76-0,85) 0,78 (0,75-0,83) 0,78 (0,73-0,82) 0,012 0,002 0,327 0,559 Ж 0,76 (0,72-0,78) 0,79 (0,73-0,85) 0,78 (0,72-0,81) 0,78 (0,73-0,84) 0,001 0,001 0,081 0,011 Примечание. Сравнение зависимых выборок осуществлялось с помощью непараметрического критерия Т-Вилкоксона, Md (Q1-Q3). Рис. 2. Изменение показателей легочного газообмена в ответ на локальное охлаждение кисти водой температурой 24, 15 и 8 °С (в % к исходному) у юношей Примечание. За 100 % принята исходная величина до холодового воздействия. Изменения по сравнению с исходным состоянием статистически значимы: ** - р < 0,01. После холодового воздействия на кожу стопы юношей и девушек также наблюдались изменения показателей легочного газообмена (табл. 2). У девушек происходило значимое увеличение показателя вентиляционного эквивалента по кислороду на 8,8 % (р = 0,040), 8,4 % (р = 0,029) и 8,0 % (р = 0,003) при охлаждении водой температурой 24, 15 и 8 °С соответственно (рис. 3). Также статистически значимо возросли величины вентиляционного эквивалента по углекислому газу на 4,8 % (р = 0,045) и 7,6 % (р = 0,013) при воздействии воды, температура которой составила 15 и 8 °С. Остальные показатели статистически значимо не изменялись. Следует подчеркнуть, что при локальном охлаждении стопы наблюдались более выраженные изменения показателей легочного газообмена, чем при холодовом воздействии на кисть. Локальное охлаждение стопы у юношей привело лишь к статистически значимому снижению показателя минутного выделения углекислого газа при температуре воды 24 °С на 18,8 % (р = 0,041), а при 8° С - на 17,1 % (р = 0,005) (рис. 4). Рис. 3. Изменение показателей легочного газообмена в ответ на локальное охлаждение стопы водой температурой 24, 15 и 8 °С у девушек Примечание. За 100 % принята исходная величина до холодового воздействия. Изменения по сравнению с исходным состоянием статистически значимы: * - р < 0,05; ** - р < 0,01. Рис. 4. Изменение показателей легочного газообмена в ответ на локальное охлаждение стопы водой температурой 24, 15 и 8 °С (в % к исходному) у юношей Примечание. За 100 % принята исходная величина до холодового воздействия. Изменения по сравнению с исходным состоянием статистически значимы: * - р < 0,05; ** - р < 0,01. 35 Экологическая физиология Экология человека 2018.05 Таблица 2 Изменение показателей легочного газообмена у юношей и девушек в ответ на локальное охлаждение стопы n = 30 (д), n = 30 (м) Показа тель Пол Фон После локального охлаждения при 24 °С (2), 15 °С (3) и 8 °С (4) р р 1-2 р1-3 р 1-4 1 2 3 4 ПО мл/мин М 374,5 (269,3 - 452,3) 321,0 (271,0 - 390,3) 321,5 (266,3 - 368,8) 303,0 (234,8 - 354,0) 0,056 Ж 237,5 (161,3- 322,3) 235,0 (165,5- 285,5) 206,5 (165,0 - 286,0) 198,5 (147,8- 282,3) 0,395 ВСО2, мл/мин М 287,0 (199,0 - 352,5) 233,0 (195,8- 295,8) 253,5 (203,0- 282,3) 238,0 (167,0 - 264,0) 0,020 0,041 0,061 0,005 Ж 197,0 (107,5- 240,8) 185,5 (124,3 - 229,0) 156,5 (123,3 - 221,5) 158,5 (112,5 - 202,8) 0,581 ВЭСО2, л М 31,7 (30,3-35,1) 33,0 (31,3 - 34,4) 33,4 (31,1-34,8) 33,1 (31,5 - 35,7) 0,444 Ж 33,1 (30,4 - 35,3) 35,5 (32,3-36,8) 34,7 (31,8-38,0) 35,6 (33,6-37,7) 0,030 0,057 0,045 0,013 ВЭО* л М 24,6 (22,6-28,0) 25,0 (22,5-27,1) 25,4 (22,5-27,8) 24,8 (23,1-27,0) 0,756 Ж 25,0 (22,0-27,6) 27,2 (24,0-28,8) 27,1 (23,1-29,6) 27,0 (24,3-30,0) 0,021 0,040 0,029 0,003 ДК М 0,77 (0,71-0,83) 0,76 (0,73 - 0,78) 0,74 (0,73 - 0,80) 0,76 (0,72 - 0,81) 0,214 Ж 0,76 (0,72-0,78) 0,77 (0,72-0,81) 0,76 (0,73-0,81) 0,78 (0,72-0,82) 0,168 Примечание. Сравнение зависимых выборок осуществлялось с помощью непараметрического критерия Т-Вилкоксона, Md (Q1-Q3). Обсуждение результатов Известно, что при локальном воздействии низких температур происходит активация симпатической нервной системы, вызывающая рефлекторное повышение концентрации норадреналина, аденозинтри-фосфата, снижение интенсивности периферического кровотока, повышение частоты сердечных сокращений, систолического и диастолического артериального давления [13, 14, 16]. Типичной реакцией функции дыхания на внешнее интенсивное холодовое воздействие у человека является увеличение потребления кислорода [11, 19]. В проведенном исследовании как у юношей, так и девушек не наблюдалось увеличения уровня потребления кислорода при охлаждении конечностей различными температурами. Вероятно, это связано с тем, что гипотермия охватывала небольшую площадь тела и была непродолжительной. Отмеченное значимое уменьшение скорости выделения углекислого газа у юношей при охлаждении стопы водой, температура которой составила 24 и 8 °С, возможно, является рефлекторным проявлением гипометаболической реакции организма, описанной ранее в работах О. В. Гришина, Н. В. Устюжанино-вой [4]. Дыхательные эквиваленты по кислороду и углекислому газу соответствуют количеству воздуха, необходимого для поступления в организм одного литра кислорода и выделения одного литра углекислого газа и служат индикатором адекватности вентиляции. Можно предположить, что статистически значимое увеличение этих показателей у девушек при локальной гипотермии кисти и стопы происходит в связи с оптимальным соотношением альвеолярной вентиляции и перфузии, что указывает на адекватную реакцию организма на воздействие холода. Для анализа газообменных процессов определенный интерес представляют изменения дыхательного коэффициента, т. е. отношения объёма выделяемого из организма углекислого газа к объёму кислорода, поглощаемого за то же время. Изменчивость величины дыхательного коэффициента зависит от субстрата дыхания (окисляемого вещества) и от продуктов дыхания (полного или неполного окисления). В норме величина дыхательного коэффициента варьирует в пределах от 0,7 до 1,0 и позволяет судить о преимущественном использовании того или иного субстрата в процессе метаболизма. В данном исследовании выявлено, что дыхательный коэффициент в покое у юношей равен 0,77 (0,71-0,83), у девушек - 0,76 (0,72-0,78), что, возможно, связано с преобладанием жирового энергообеспечения на фоне меньшего использования углеводов в качестве окисляемых субстратов, характерного для холодного времени года [3]. Таким образом, обобщая результаты проведенного исследования, можно заключить, что реакция девушек более выражена, чем реакция юношей. Кроме того, она зависит от области охлаждения и температуры воздействия. Наиболее существенные изменения наблюдаются при локальном охлаждении стопы температурой воды, вызывающей легкое и сильное напряжение организма.

About the authors

A A Shangina

Northern (Arctic) Federal University

SPIN-code: 2351-2459

O N Popova

Northern State Medical University

SPIN-code: 5792-0273

E V Tikhonova

Northern State Medical University

SPIN-code: 7400-0146

S V Kolmogorov

Northern (Arctic) Federal University

SPIN-code: 5885-9656

A B Gudkov

Northern (Arctic) Federal University; Northern State Medical University

SPIN-code: 4369-3372

References

Supplementary files