CC BY
8УДК: 796.01:61
ОСОБЕННОСТИ
адаптивных реакций кардиореспираторной системы в условиях измененной газовой среды у спортсменов-гребцов с различным уровнем легочной вентиляции
Доктор биологических наук, доцент В.Г. Двоеносов Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань Доктор биологических наук, профессор Р.А. Юсупов
Национальный исследовательский университет КГТУ им. А.Н. Туполева, Казань Аспирантка Д.Ю. Щербакова
Самарский государственный университет, Самара
THE PECULIARITIES OF ADAPTIVE RESPONSES OF CARDIORESPIRATORY SYSTEM IN CHANGING GAS ENVIRONMENT IN ROWERS WITH DIFFERENT LUNG VENTILATION LEVELS
V.G. Dvoenosov, associate professor, Dr.Biol.
Kazan (Privolzhskiy) federal university, Kazan
R.A. Yusupov, professor, Dr.Biol. National research university KSTU named after A.N. Tupolev, Kazan D.Yu. Scherbakova, postgraduate Samara state university, Samara Key words: cardiorespiratory system, combined hypoxia and hyper-capnia, random level of lung ventilation, adaptive responses, rowers. The compensatory mechanisms of moderate forms of hypoxia, hyper-capnia or their combinations in a healthy body are of certain adaptive value in formation of adaptive responses, intended to increase body resistance to a whole set of extreme factors, and sports activity is not an exclusion. Any body changes influenced by extreme factors result in gas imbalance - hypoxia and hypercapnia. Thereby, training with breathing gaseous mixtures with different oxygen and carbon dioxide concentration can be used to increase the level of functionalities without increasing training loads. Herewith, the individual features of body's physiological responses influenced by various extreme factors, including hypoxia and hyper-capnia, in view of the random level of lung ventilation. Hence, the purpose of the study was to consider adaptive responses of cardiorespiratory system in persons with different lung ventilation levels when breathing under conditions of combined hypoxia and hypercapnia. The individual-typological features of ensured adequate level of metabolism of the gas transport system in the ones with different initial lung ventilation levels included more efficient heart work in those with the initially low breathing index and higher 02 blood extraction in the persons with a high breathing index.
^^Г
£
v M'4
Ключевые слова: кардио-респираторная система, соче-танная гипоксия и гиперкапния, базальный уровень легочной вентиляции, адаптивные реакции, спортсмены-гребцы.
Механизмы компенсации умеренных форм гипоксии, ги-перкапнии или их комбинации в здоровом организме имеют определенное приспособительное значение в формировании адаптационных реакций, направленных на повышение устойчивости организма к целому комплексу экстремальных факторов [1], в том числе в спортивной деятельности. При этом любые изменения, возникающие в организме при действии экстремальных факторов, в конечном итоге приводят к нарушению газового баланса - гипоксии и ги-перкапнии.
В связи с этим появляется возможность использования тренировки с дыханием газовыми смесями с различной концентрацией кислорода и углекислого газа для повышения уровня функциональных возможностей организма без увеличения тренировочных нагрузок [2]. Вместе с тем остаются недостаточно изученными индивидуальные особенности физиологических реакций организма при действии различных экстремальных факторов, в том числе гипоксии и гиперкап-нии, с учетом базального уровня легочной вентиляции.
В связи с этим целью работы явилось изучение адаптивных реакций кардиореспираторной системы у лиц с различным уровнем легочной вентиляции при дыхании в условиях сочетанной гипоксии и гиперкапнии.
Методы и организация исследования. В исследованиях приняли участие 65 взрослых и юных спортсменов-гребцов мужского пола, 31 студент-мужчина в возрасте 18-28 лет и 28 школьников 14-15 лет, не занимающихся спортом, у которых была взята функциональная проба с использованием методики «возвратного дыхания» [3].
Пробу с «возвратным дыханием» брали с использованием спирометра «Метатест-2» с общим объемом воздуха 10 л в течение 5 мин. В конце каждой минуты регистрировали парциальное давление О2 и СО2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе с помощью газоанализаторов ГАУ-3 и АК-1 и функциональные показатели кар-диореспираторной системы. В конце пробы соотношение рСО2/рО2 во вдыхаемом воздухе составляло 48-52/80-90 мм рт. ст. Рассчитывался интегральный показатель эффективности газотранспортной системы [5] - критерий эффективности кардиореспираторной системы (КЭКРС-О2). Объемные показатели внешнего дыхания рассчитывались в системе ВТРБ, а показатели газообмена приводились к условиям STPD. Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы оценивали с помощью электрокардиографии и импедансной тетраполярной реографии [6].
Результаты исследования и их обсуждение. Полученные показатели кардиореспи-раторной системы анализировали с учетом индивидуальных значений индекса дыхания (ИД) в состоянии покоя, которые не попадали в диапазон [М-1 а; М+1 а] и отражали высокий и низкий удельный уровень легочной вентиляции.
Проба с задержкой дыхания на вдохе (Штанге) показала большую устойчивость к сдвигам дыхательного гомеостаза, связанную со спортивной подготовкой и возрастом. Взрослые спортсмены задерживали дыхание на более продолжительное время по сравнению с юными гребцами (р<0,001) и с испытуемыми, не занимающимися спортом (р<0,001).
При этом обследуемые с низким исходным ИД отличались большей устойчивостью в пробе Штанге, дольше задерживая дыхание, чем лица с высоким ИД (р<0,1 - р<0,004). У юных спортсменов и школьников с низким ИД также выявлены достоверно более высокие значения ЖЕЛ и ФЖЕЛ. У взрослых обследуемых с высоким и низким уровнем вентиляции показатели функциональных возможностей системы внешнего дыхания существенно не различались. Следовательно, факторы, определяющие функциональные резервные возможности внешнего дыхания, оказывали статистически значимое влияние на уровень вентиляции у подростков в покое и не влияли на него у взрослых обследуемых (табл. 1).
Согласно литературным данным базальный уровень вентиляции и паттерн дыхания во многом определяются генетическими факторами [8, 10] и значительно влияют на показатели внешнего дыхания и газообмена.
Обследуемые с высоким уровнем ИД имели большие величины ЧД и ДО в покое (р<0,01-0,0002) по сравнению с лицами, имеющими низкий уровень вентиляции во всех обследованных группах. При этом у лиц с низким ИД отмечались более низкие величины парциального давления кислорода и более высокие - углекислого газа в выдыхаемом воздухе, а удельное потребление О2 было значительно ниже, чем у обследуемых с высоким уровнем легочной вентиляции (р<0,001 - в группах взрослых спортсменов; р<0,004 - в группах юных спортсменов; р<0,001 - в группах студентов; р<0,03 - в группах школьников).
Повышение потребления кислорода у лиц с высоким уровнем ИД может быть связано с ги-покапнией и ее влиянием на процессы биологического окисления [6].
Несмотря на более низкие величины удельного потребления О2 у лиц с низким ИД по сравнению с лицами, имеющими высокий ИД, величина коэффициента потребления кислорода (КИО2)
Функциональные показатели аппарата внешнего дыхания у обследуемых в состоянии относительного покоя
Группы обследуемых
Показатели I (n=8) (n=33) (n=6) II (n=6) (n=32) (n=7) III (n=7) (n=31) (n=7) IV (n=8) (n=28) (n=6)
5.10 ± 0.11 4.42 ± 0.35 4.11 ± 0.12 3.79 ± 0.17
ЖЕЛ, л 4.96 ± 0.16 4.03 ± 0.15 4.36 ± 0.17 3.34 ± 0.18
4.92 ± 0.13 3.50 ± 0.20 4.34 ± 0.28 2.59 ± 0.35
ЖЕЛ/ДЖЕЛ, % 107.3 ± 3.11 107.5 ± 1.71 103.8 ± 3.35 105.3 ± 7.55 97.1 ± 2.93 87.9 ± 3.89 86.1 ± 2.74 93.1 ± 2.55 92.6 ± 4.96 97.6 ± 4.73 ± 83.8 ± 3.61 72.9 ± 7.63
4.45 ± 0.15 4.14 ± 0.36 3.78 ± 0.27 2.95 ± 0.12
ФЖЕЛ, л 4.67 ± 0.10 3.75 ± 0.15 4.07 ± 0.12 2.99 ± 0.15
4.58 ± 0.06 3.26 ± 0.14 3.68 ± 0.26 2.22 ± 0.27
88.1 ± 3.09 62.3 ± 4.47 68.2 ± 6.07 51.4 ± 2.20
Проба Штанге, с 83.1 ± 2.09 60.1 ± 2.24 63.9 ± 2.14 47.6 ± 1.38
76.5 ± 6.05 53.0 ± 2.04 63.2 ± 5.07 40.0 ± 1.71
Примечание. I - взрослые спортсмены; II - юные спортсмены; III - студенты; IV - школьники. По каждому показателю приведены цифры (вверху) - для лиц с низким ИД; внизу - для лиц с высоким ИД. Жирным шрифтом выделены средне-групповые значения.
у первых была достоверно выше в группе взрослых спортсменов (р<0,02), юных спортсменов и школьников (р<0,1).
Величины кислородного пульса (КП), отражающего количество потребляемого кислорода, приходящегося на одно сердечное сокращение, были достоверно ниже у лиц с низким ИД по сравнению с лицами, имеющими высокий удельный уровень легочной вентиляции, что было обусловлено низкими величинами потребления О2 у первых.
Типологические особенности, характеризующие экстракцию кислорода из крови у лиц с высоким и низким уровнями легочной вентиляции, проявились при анализе гемодинамического эквивалента О2 (рис. 1).
Обследуемые с низким ИД имели достоверно высокие величины ГДЭ-О2 (р<0,05 - р<0,001) во всех группах.
В пробе с «возвратным дыханием», несмотря на увеличение легочной вентиляции, во всех обследованных группах отмечалось угнетение газообмена, которое выражалось в снижении УО2, УСО2 и КИО2. При этом градиент снижения показателей по отношению к фоновым значениям был выше у лиц с исходно высоким ИД во всех группах (р<0,002 - р<0,0001), что отражало их меньшую устойчивость к сочетанному воздействию гипоксии и гиперкапнии. Уменьшение КИО2 свидетельствовало о снижении эффективности внешнего дыхания [4].
Наибольшими изменения оказались в группах подростков, что отражало возрастные особенности реактивности в условиях острого воздействия гипоксии и гиперкапнии.
Повышение содержания СО2 во вдыхаемом воздухе до 2 об. % приводило к достоверному снижению УО2, что связывают с замедлением ме-
30
25 20 15 10 5
таболических процессов в состоянии покоя в результате накопления углекислоты [3].
Дальнейшее повышение содержания СО2 и снижение О2 во вдыхаемом воздухе приводило к росту ГДЭ-О2 (МОК/УО2 ед.) в группах подростков независимо от их спортивной подготовленности, что свидетельствует о лимитирующей роли возрастного фактора в реакциях утилизации кислорода тканями, а также способности переноса и отдачи кислорода гемоглобином. У взрослых спортсменов с низким ИД гемодинамический эквивалент сохранял свои значения, что отражало устойчивость гемодинамики к СО2-стимулу, с одной стороны, и возможность сохранять уровень метаболизма - с другой (рис. 2).
Обследуемые с низким ИД отличались большей устойчивостью гемодинамики, поддерживая УО на уровне фоновых значений, и в большей степени сохраняли способность к использованию инотропного резерва сердца, о чем свидетельствовали более высокие значения индекса уравновешенности объемно-частотной характеристики работы сердца УО/ЧСС (р<0,08 - р<0,001). Снижение УО, более выраженное у лиц с высоким ИД, было связано (г = -0,594; г = -0,907, р<0,05) с повышением периферического сопротивления сосудов, которое, очевидно является защитным механизмом перераспределения кровотока в пользу наиболее чувствительных к гипоксии органов - головного мозга и сердца в экстремальных условиях гипоксии и гиперкапнии.
Наиболее высокий прирост КЭКРС-О2 при нарастающей гипоксии и гиперкапнии оказался у юных гребцов и школьников (232,0 ± 25,71 и 217,1 + 37,35 ед. соответственно). При этом рост КЭКРС-О2 был более выражен у лиц с высоким ИД, что указывало на снижение эффективности функционирования кардиореспи-раторной системы в пробе с «возвратным дыханием» и повышение «цены жизнедеятельности»
12 3 4
группы обследуемых
Рис. 1. Показатели гемодинамического эквивалента О2 в состоянии покоя у обследуемых с низким и высоким уровнями легочной вентиляции.
Светлые столбцы - лица с низким ИД; темные - лица с высоким ИД.
По оси абсцисс - группы обследуемых: 1 - взрослые спортсмены; 2 - юные спортсмены; 3 - студенты; 4 -школьники. По оси ординат - ГДЭ-О2 (МОК^О2 ед.)
ГДЭ-02 ед.
90 -
80
70
60
50
40
30
20
10 -
0 1
1 2 3 4
Рис. 2. Динамика ГДЭ-О2 в конце пробы с «возвратным дыханием» у лиц с низким и высоким уровнями исходной легочной вентиляции ИД.
Обозначения: 1 - взрослые гребцы; 2 - юные гребцы; 3 -студенты; 4 - школьники. Темные столбцы - лица с низким ИД; светлые - лица с высоким ИД. Штриховкой обозначены фоновые значения.
ГДЭ-О2 ед.
0
мод/мок ед.
12 -|
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
Mm
12 3 4
Рис. 3. Динамика МОД/МОК в конце пробы с «возвратным дыханием» у лиц с высоким и низким исходными уровнями легочной вентиляции.
Обозначения: 1 - взрослые спортсмены; 2 - юные спортсмены; 3 - студенты; 4 - школьники. Темные столбцы -лица с низким ИД; светлые - лица с высоким ИД. Штриховкой обозначены фоновые значения
[5] в условиях нарушения дыхательного гомео-стаза. В пробе с «возвратным дыханием» отмечалось значительное увеличение вентиляторно-перфузионного отношения МОД/МОК] (рис. 3), свидетельствовавшее об усилении регуляторной роли гиперкапнического драйва в результате накопления СО2 в крови, более выраженное у лиц с высоким ИД (р<0,2 - р<0,004).
Большие значения МОД/МОК указывали на преобладание респираторного типа адаптации, а меньшие, у лиц с низким ИД, - циркулятор-ного [7].
Выводы. Индивидуально-типологические особенности обеспечения адекватного уровня метаболизма со стороны газотранспортной системы у обследуемых с разным исходным типом легочной вентиляции заключались в большей эффективности сердечной деятельности у лиц с исходно низким уровнем ИД и большей экстракцией О2 из крови у лиц с высоким уровнем ИД (р<0,001 - р<0,05). При этом у лиц с низким ИД во всех группах величины удельного потребления О2 были ниже, чем у лиц с исходно высоким ИД.
Установлено, что критерием оценки адекватности кислородного режима организма человека в условиях нарастающей гипоксии и гипер-капнии может выступать показатель КЭКРС-О2 (АДср/ДУО2). При этом кислородные режимы организма юных спортсменов-гребцов характеризовались меньшей экономичностью и эффективностью и большей физиологической «ценой адаптации» по сравнению со взрослыми спортсменами. Адаптивные реакции кардиореспира-торной системы и газообмена в пробе с «возвратным дыханием» были связаны с исходным уровнем удельной легочной вентиляции. У лиц с исходно высоким ИД во всех группах отмечалась меньшая устойчивость к сдвигам дыхательного гомеостаза
в условиях гипоксии и гиперкапнии, о чем свидетельствовали большие величины КЭКРС-О2, индекса вентиляторно-перфузионных отношений (МОД/МОК) и меньшие значения КИО2.
Литература
1. Агаджанян Н.А. Гипоксические, гипокапнические и гиперкап-нические состояния: учеб. пособие / Н.А. Агаджанян, А.Я. Чи-жов. - М.: Медицина, 2003. - 96 с.
2. Агаджанян Н.А. Оценка функционального состояния организма спортсмена в условиях измененной газовой среды / Н.А. Агаджанян, Н.П. Красников // Теория и практика физ. культуры. - 1985. - № 3. - С. 19-21.
3. Агаджанян Н.А. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии / Н.А. Агаджанян, А.И. Елфимов. - М.: Медицина, 1986. - 272 с.
4. Кривощеков С.Г. Индивидуальные особенности внешнего дыхания при прерывистой нормобарической гипоксии / С.Г. Кривощеков, Г.М. Диверт, В.Э. Диверт // Физиология человека. - 2006. - Т. 32. - № 3. - С. 62-69.
5. Меделяновский А.Н. Функциональные системы, обеспечивающие гомеостаз / А.Н. Меделяновский / Функциональные системы организма. - М.: Медицина, 1987. - С. 77-103.
6. Пушкарь Ю.Т. Автоматизированное определение минутного объема методом реографии / Ю.Т. Пушкарь, А.А. Цветков, Г.И. Хеймец // Бюллетень Всесоюзного кардиологического научного центра АМН СССР. - 1980. - № 1. - С. 45-48.
7. Розенблат В.В. Два типа адаптации кардиореспираторных показателей человека к физической нагрузке / В.В. Розенблат, С.Н. Малафеева, А.М. Поводатор, С.В. Рожкова // Физиология человека. - 1985. - Т. 11. - № 1. - С. 102-106.
8. Серебровская Т.В. Чувствительность к гипоксическому и ги-перкапническому стимулу как отражение индивидуальной реактивности организма человека / Т.В. Серебровская // Патол. физиол. и эксперим. терапия. - 1985. - № 5. - С. 65-69.
9. Сороко С.И. Комплексное многопараметрическое исследование системных реакций организма человека при дозированном гипоксическом воздействии / С.И. Сороко, Э.А. Бурых, С.С. Бекшаев, Е.Г. Сергеева // Физиология человека. - 2005. - Т. 31. - № 5. - С.88-109.
References
1. Agadzhanyan, N.A. Hypoxic, hypocapnic and hypercapnic states: teaching aid / N.A. Agadzhanyan, A.Ya. Chizhov. - Moscow: Meditsina, 2003. - 96 P. (In Russian)
2. Agadzhanyan, N.A. Estimation of the functional state of athlete's body in conditions of changed gas environment / N.A. Agadzhanyan, N.P. Krasnikov // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1985. - № 3. - P. 19-21. (In Russian)
3. Agadzhanyan, N.A. Body functions in hypoxic and hypercapnic conditions / N.A. Agadzhanyan, A.I. Elfimov. - Moscow: Meditsina, 1986. - 272 P. (In Russian)
4. Krivoschekov, S.G. Individual features of external respiration at interrupted normobaric hypoxia / S.G. Krivoschekov, G.M. Divert, V.E. Divert // Fiziologiya cheloveka. - 2006. - V. 32. - № 3. - P. 62-69. (In Russian)
5. Medelyanovsky, A.N. Functional systems ensuring homeostasis / A.N. Medelyanovsky / Body functional systems. - Moscow: Meditsina, 1987. - P. 77-103. (In Russian)
6. Pushkar', Yu.T. Automated determination of minute volume using rheography / Yu.T. Pushkar', A.A. Tsvetkov, G.I. Heimetz // Bulleten' Vsesoyuznogo kardiologicheskogo nauchnogo tsentra AMN SSSR. - 1980. - № 1. - P. 45-48. (In Russian)
7. Rozenblat, V.V.Two types of adaptation of human cardiorespiratory indices to exercise / V.V. Rozenblat, S.N. Malafeeva, A.M. Povodator, S.V. Rozhkova // Fiziologiya cheloveka. - 1985. - V. 11. - № 1. - P. 102-106. (In Russian)
8. Serebrovskaya, T.V. Sensitivity to hypoxic and hypercapnic stimuli as a reflection of individual reactivity of human body / T.V. Serebrovskaya // Patol. fiziol. i eksperim. terapiya. - 1985. - № 5. - P. 65-69. (In Russian)
9. Soroko, S.I. Integrated polyvalent research of system reactions of the human body at graduated hypoxic interventions / S.I. Soroko, E.A. Butykh, S.S. Bekshaev, E.G. Sergeeva // Fiziologiya cheloveka. - 2005. - V. 31. - № 5. - P.88-109. (In Russian)
10. Shea S.A., Benchetrit G, Pham Dinh T. The breathing patterns of identical twins // Respir. Physiol. - 1989. - V. 75. - N. 2. - P. 211.
Информация для связи с автором:
dvoenosowg@yandex.ru
Поступила в редакцию 11.10.2013 г.
