CC BY
24
ТЕМПЕРАТУРА ЖИВОТНЫХ И ПОВЫШЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ АЗОТНО-КИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ
УДК 615.322 DOI: 10.17816/RCF14467-70
© Ю.И. Лучаков1, А.И. Ветош2, П.Д. Шабанов3
1 Институт физиологии им. И.П.Павлова, Санкт-Петербург, Россия;
2 Институт эволюционной физиологии им. М.И.Сеченова РАН, Санкт-Петербург, Россия; 3Военно-медицинская академия им. С.М.Кирова, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 27.10.2016 Принята к печати 12.12.2016
Ключевые слова:_
температура; давление; крыса; барокамера; математическая модель.
Резюме_
В работе проведены исследования терморегуляции крыс при повышенном давлении в дыхательно-газовой среде как экспериментально, так и с использованием математической модели. Эксперименты проведены на крысах в барокамере, где давление газовой среды поднимали до 4,1 МПа. Повышение давления в барокамере до 2,1 МПа приводило
к увеличению потребления кислорода в 1,7 раза, а при давлении 4,1 МПа происходило увеличение потребления кислорода уже в 2,3 раза. Термонейтральная зона животных, наоборот, прогрессивно уменьшалась с ростом давления в барокамере. Используя математическую модель, было показано, что увеличение давления в барокамере до 2,1 МПа приводило к увеличению теплоотдачи в 1,9 раза, а увеличение давления в барокамере до 4,1 МПа увеличивало теплоотдачу с тела организма в окружающую среду в 2,6 раза.
TEMPERATURE OF ANiMALS AND ENHANCED PRESSURE OF NiTROGEN-OXYGEN MiXTURE
© Yu.I. Luchakov1, A.I. Vyotosh2, P.D. Shabanov2 11P Pavlov Institute of Physiology RAS, St Petersburg, Russia;
2 IM Sechenov Instutute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, St Petersburg, Russia;
3 SM Kirov Military Medical Academy, St Petersburg, Russia
For citation: Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy, 2016;14(4):67-70
♦ Keywords: temperature; pressure; rat; barocamera; mathematical model.
♦ Abstract. The rat thermoregulation in conditions of enhanced pressure in inhalation gas environment was assessed both experimentally and using mathematical model.All experimentswere carried outon rats in barocamera, where the pressure of gas environment was increased gradually up to 4.1 МPа. The pressure enhancement of gas
Received: 27.10.2016 Accepted: 12.12.2016
environment up to 2.1 MPa stimulated oxygen consumption in 1.7-fold, when pressure enhancement up to 4.1 MPa did it up to 2.3-fold. The thermoneutral zone of rats was gradually reduced in these conditions, e.g. with enhancement of preasure. Using mathematical model we have shown that pressure enhancement up to 2.1 MPa in barocamera increased thermodelivery in 1.9-fold whereas pressure enhancement up to 4.1 MPa did it in 2.6-fold.
Особая ситуация в проблеме терморегуляции складывается при повышении давления дыхательно-газовой среды. Одним из важнейших факторов, ограничивающих пребывание человека и животных в условиях повышенного давления является изменение теплообмена между организмом и средой [6, 13]. Прежде всего это касается интенсивности теплопродукции и теплоотдачи [5, 10]. При повышенном давлении дыхательно-газовой среды увеличивается теплоотдача и терморегуляция организ-
ма изменяется по сравнению с терморегуляцией в норме [1, 7]. В настоящее время закономерность поддержания температуры тела при повышенном давлении гомойотермными животными и человеком от температуры среды не изучены, что обусловлено большими методическими трудностями проведения гипербарических исследований. Поэтому для изучения закономерности поддержания температуры тела при повышенном давлении были проведены настоящие исследования.
методика
Эксперименты проводили на 44 крысах-самцах Вистар массой 240-310 г В первой серии опытов животных помещали в барокамеру объемом 107 л для измерения потребления кислорода в условиях различных температур и давлений нормокси-ческой азотно-кислородной дыхательно-газовой среды (ДГС). Компрессия азотом проводилась со скоростью 0,1 МПа/мин до давлений 2,1 и 4,1 МПа. Газовый анализ на О2 и СО2 проводили с помощью анализаторов типа SF-101 и SF-102 фирмы SFAE. Содержание углекислого газа в камере не превышало 0,00042 МПа. Температуру ДГС измеряли электротермометрами типа ТСМ-2. Во второй серии опытов крыс в свободном поведении, а также в специальных пеналах, позволяющих животным сохранять обычную позу, но ограничивающих подвижность, помещали в барокамеру объемом 15 л.
У части животных регистрировали электрокардиограмму в отведении грудь-спина и дыхательную активность механоэлектрическим датчиком. Двигательную активность и рефлексы позы животных анализировали с применением актограмм и видеосъемки. Температура ДГС могла изменяться в пределах 20-40 °С. Неравномерность температурного поля в барокамере составляла ± 0,5 °С. В ходе компрессии азотом вплоть до 12,1 МПа содержание кислорода в барокамере изменялось в пределах 0,0208-0,0426 МПа. Остальные параметры и условия опытов были аналогичны применявшимся в первой серии.
Статистическую обработку полученных данных выполняли с применением ^критерия Стьюдента. Математические исследования проводились на математической модели цилиндра-крысы, описанной ранее [3, 4, 15].
Исследование закономерностей теплорегуляции гомойотермного организма представляет сложную задачу, для практического решения которой неизбежны определенные допущения, позволяющие, прежде всего, упростить объект исследования. Для анализа теплообмена организма со средой нами была выбрана тепловая модель животных в виде цилиндра. Представление тепловой модели гомой-отермного организма в виде цилиндр-животное в целом вполне адекватно имитирует теплообмен реального животного с окружающей его средой [12, 13, 15]. Теплофизическая модель животных в виде цилиндров учитывает основные параметры организма, которые определяют его теплообмен со средой — это тепловые параметры теплопереноса внутри организма, параметры теплопродукции и теплоотдачи, весовые параметры и т.д.
При рассмотрении теплообмена организма со средой важным моментом в нашей тепловой модели является учет не только процессов теплопродукции и теплоотдачи со средой, но и учет процесса тепло-переноса в самом организме. В соответствии с на-
шими исследованиями [3, 4] в теле гомойотермного организма можно выделить внутреннюю область (ядро организма) и внешнюю (оболочка организма). В ядре существует интенсивный кровоток и поэтому теплоперенос осуществляется в основном конвективным образом, что и обеспечивает более или менее постоянную температуру этих тканей. В оболочке кровоток в нормальных условиях слабый и теплоперенос в основном осуществляется кондуктив-ным образом, что приводит в тканях этой области к резкому изменению температуры.
В нашей тепловой модели цилиндр-животное выделены два кооксальных цилиндра [5]. Внутренний цилиндр — это область, которая имитирует ткани ядра организма, область между внутренним и внешним цилиндром, имитирует ткани оболочки. Благодаря такому представлению теплопереноса внутри организма, сам теплообмен организма со средой возможно представить в виде следующей системы дифференциальных уравнений: T = const;
.,d% 1 dT21
м—----\+q2 = 0;
dr2 r dr I 2
-x-dT
dr
= a(T2-TCp);
Q1 = -XS 1 dr
Решение этой системы уравнений возможно представить в виде алгебраической системы: T1 = const;
T2 = -r2) + C Ln{— VXfR2-C
2 4X 2 R2 a 2X 2 R2
\ 2 / v 2
Cl = Ъ . R - Q , 1 2X 1 XS
где Т1, Т2 — температура ядра, оболочки соответственно; Тср — температура среды; R1, R2 — радиус внутреннего и внешнего цилиндра соответственно; X, а - коэффициенты теплопроводности тканей в оболочке и коэффициент теплоотдачи с поверхности цилиндр-животное; 01 — теплопродукция тканей ядра; L - длина цилиндра-животного.
результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальная зависимость ширины термонейтральной зоны от внешнего давления представлена на рис. 1.
Величина ТНЗ в норме взята равной 1.
Как видно из рисунка, с увеличением давления ДГС пропорционально уменьшается и ширина термонейтральной зоны, которая при давлении 4,1 МПа уменьшается в 2,5 раза по сравнению с нормой. Потребление кислорода крысами, как видно из рисунка 2, наоборот, увеличивается с ростом давле-
1 -0,5- ТНЗ 1 1 1 1 2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 - О л/кг в 1 час 1 1 1 1
1 2 3 4 P, МПа 12 3 4 Р, МПа
Рис. 1. Относительные изменения термонейтральной зоны (ТНЗ) Рис. 2. Относительные изменения потребления кислорода (0 в зависимости от давления (Р) в дыхательной газовой смеси в зависимости от давления (Р) в дыхательной газовой смеси
ния. В частности, при давлении 4,1 МПа потребление кислорода животными увеличивается в 2,3 раза по сравнению с нормой.
Величина Q в норме взята равной 1.
Такие изменения тепловых параметров обусловлены изменением свойств газовой среды. Увеличение давления в ДГС ведет к увеличению плотности газовой среды в камере, где находились животные. Более плотная окружающая газовая среда изменяет процесс теплоотдачи с тела животного. Кроме того, увеличивается теплоотдача с дыханием у животных. В этих условиях увеличенная теплоотдача должна была бы приводить к уменьшению температуры тела животного. Однако, как следует из наших экспериментов, температура тела животных не изменяется, а увеличивается их теплопродукция. Конечно, для анализа процесса теплообмена организма животного с газовой средой при повышенном давлении ДГС важно определение величины теплоотдачи. Воспользоваться способами определения этого параметра по приблизительным формулам [9, 14] в нашем случае невозможно из-за наличия конвективного потока газа в барокамере при перемешивании газовой смеси с помощью вентилятора. Поэтому в работе использовано сочетание данных экспериментов и возможностей математического моделирования для определения изменения теплоотдачи. Эксперименты показали, что при увеличении давления внешней среды с 0,08 до 2,1 МПа в пределах термонейтральной зоны потребление кислорода животными увеличивалось с 1,1 до 1,7 л/кг/ч. Если в модели учитывать подобное увеличение потребления кислорода, то температура тела животного останется на прежнем уровне только при условии увеличения коэффициента теплоотдачи в 1,9 раза. Дальнейшее повышение давления кислородно-азотной дыхательной смеси до 4,1 МПа, как видно из рис. 2, приводит к еще большему увеличению потребления кислорода крысами до уровня 2,3 л/кг/ч в пределах термонейтральной зоны. Модельные расчеты показывают, что при таких условиях температура ядра тела остается неизменной только в том случае, если теплопотери организма крысы увеличатся в 2,6 раза.
Полученные данные позволяют предсказать на моделях температуру тела животных при повышенном давлении в ДГС без увеличения теплопро-
дукции. Так, по нашим расчетам на модели увеличение давления в ДГС с 0,08 до 2,1 МПа приводило бы к тому, что температура животных снижалась бы с 37,5 °С до 34 °С, даже при температуре ДГС до 30 °С. Дальнейшее повышение давления в ДГС без повышения теплопродукции организма приводило бы к еще большему снижению температуры тела животных. По нашим расчетам на модели, увеличение давления в ДГС до 4,1 МПа без повышения теплопродукции приводило бы к понижению температуры тела животного до 32,6 °С, даже если температура в ДГС составляла бы 30 °С.
Как следует из рисунка 2, наряду с увеличением давления в ДГС одновременно сокращается термонейтральная зона, что тоже определяется увеличенной теплоотдачей в среду. Если экстраполировать наши данные на еще большую величину давления ДГС, то термонейтральная зона сокращается до минимума. Еще большие давления в ДГС, по нашим представлениям, приведут почти к выравниванию температуры тела и температуры в ДГС.
С другой стороны, исходя из наших данных, понижение давления в ДГС может приводить во-первых, к понижению теплопродукции организма, во-вторых, к расширению термонейтральной зоны. Поэтому животные могут иметь физиологически нормальные параметры (поддерживать нормальную температуру тела) в более холодных условиях и, кроме того, иметь сниженную теплопродукцию. В настоящее время хорошо известна зависимость интенсивности потребления кислорода от массы животного организма, согласно которой, чем меньше животное, тем больше величина обмена организма животного [2, 10, 11]. С другой стороны, по данным [8], чем меньше потребление кислорода у животного на единицу массы, тем более продолжителен период его жизни.
Таким образом, пониженное давление в ДГС возможно использовать в терапевтических целях для увеличения продолжительности жизни. Возможно, что у горцев, у которых продолжительность жизни значительно выше, чем у людей на равнине, она обусловлена тем, что у них снижен метаболизм. Полученные данные можно также использовать в спорте, так как увеличение потребления кислорода организмом приводит к увеличению интенсивности работы скелетными мышцами.
литература
1. Ветош А.Н. Биологическое действие азота. — СПб., 2003. — 231 с. [Vyotosh AN. Biological action of nitrogen. St. Petersburg, 2003. 231 p. (In Russ.)]
2. Иванов К.П. Основы энергетики организма. — Л.: Наука, 1990. — 307 с. [Ivanov KP. The basis of energetics of the organism. Leningrad: Nauka; 1990. 307 p. (In Russ.)]
3. Лучаков Ю.И., Антонов В. И., Осипенко Г.С., Ястребов А.В. Математическое моделирование теплопереноса в коже // Tools for mathematical modeling. — 1999. — Т. 5. — С. 200-207. [Luchakov YuI, Antonov VI, Osipenko GS, Yastrebov AV. Mathematical modelling of thermotransfer in the skin. Tools for mathematical modeling. 1999;5:200-207. (In Russ.)]
4. Лучаков Ю.И., Морозов Г.Б. Математическое моделирование теплообмена организма с внешней средой // Tools for mathematical modeling. — 2001. — Т. 7. — С. 226-229. [Luchakov YuI, Morozov GB. Mathematical modelling of thermoregulation of the organism with environment. Tools for mathematical modeling. 2001; 7:226-229. (In Russ.)]
5. Лучаков Ю.И., Москвин А.Н., Шабанов П.Д. Влияние кровотока на насыщение ткани мозга кислородом при гипербарической оксигенации // Обз. по клин. фармакол. и лек. терапии. — 2015. — Т. 13. — № 4. — С. 37-41. [Luchakov YuI, Moskvin AN, Shabanov PD. The effect of cerebral blood flow on brain oxygen tension at hyperbaric oxygenation. Obzory po klinicheskoq farmakologii Ilekarstvennoiterapii. 2015;13(4):37-41. (In Russ.)]
6. Стерликов А.В. Особенности теплообмена человека в условиях повышенного давления газовой среды и под водой. Действие гипербарической среды на организм человека и животных. — М.: Наука, 1980. [Sterlikov AV.
Peculiarities of human thermoregulation in conditions of enhanced pressure of gas environment and under water. Effect of hyperbaric environment on the human and animal organism. Moscow: Nauka, 1980. (In Russ.)]
7. Трошихин Г.В. Организм в гелио-кислородной среды. — Л.: Наука, 1989. — 157 с. [Troshikhin GV. Organism in the gelium-oxygen environment. Leningrad: Nauka, 1989. 157 p. (In Russ.)]
8. Флиндт Р. Биология в цифрах. — M.: Мир, 1992. — 303 с. [Flindt P. Biology in figures. Moscow: Mir; 1992. 303 p. (In Russ.)]
9. Уэбб П. Тепловые проблемы подводных погружений. Медицинские проблемы подводных погружений. — М.: Мир, 1988. — С. 321-359. Webb P. Thermal problems of diving. Medical problems of diving. Moscow: Mir, 1988:321-359. (In Russ.)]
10. Шмидт-Ниельсон К. Физиология животных. — М.: Мир, 1982. [Schmidt-Nielsen K. Animal physiology. Moscow: Mir; 1982. (In Russ.)]
11. Eckert R, Randall D, Augustine G. Animal physiology. New York, 1988.
12. Fiala D, Lomas KJ, Stohrer M. Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions. Int J Biome-teoralogy. 2001;45:143-159.
13. Lichenbelt WDM, Frijns AJH, Ooijen MJ et al. Validation of an individualized model of human thermoregulation for predicting responses to cold air. Int J Biometeorology. 2001;51(3):169-179.
14. Sterba J. Thermal problems: prevention and treatment. The physiology medicine of diving. London, 1993:301-341.
15. Werner J, Webb P. A six-cylider model of the human thermoregulation for general use on personal computers. Ann PhysiolAnthropol. 1993;12:123-134.
♦ Информация об авторах
Юрий Иванович Лучаков — д-р биол. наук, научный сотрудник, Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт Петербург. E-mail: [email protected].
Александр Николаевич Ветош — д-р биол. наук, старший научный сотрудник, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург.
Петр Дмитриевич Шабанов — д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой фармакологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова МО РФ, Санкт-Петербург. E-mail: [email protected]
♦ Information about the authors
YuryI. Luchakov — Dr. Biol. Sci. (Physiology), Scientific Researcher, IP Pavlov Institute of Physiology, Russian Academy of Sciences, Saint Petersburg. E-mail: [email protected].
AlexandrN. Vyotosh — Dr. Biol. Sci. (Physiology), Senior Researcher, IM Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy Sciences. Saint Petersburg.
PetrD. Shabanov — Dr. Med. Sci. (Pharmacology), Professor and Head, Dept. of Pharmacology, SM Kirov Military Medical Academy, Saint Petersburg. E-mail: [email protected].
