Тема 6.

Переходы между режимами высокой и низкой активности

Обсуждали:

– стационарные состояния (вариант: с оптимизацией – как при регуляции фотосинтеза)

– кинетику с переходами между стационарными состояниями (циклическое дыхание насекомых и CAM-фотосинтез)

(!) важны все потоки, сопряженные с энергопотреблением – O₂, CO₂ и H₂O

Еще вариант: детерминированная кинетика с постоянными изменениями сопряженных потоков (П) потоки в яйце – рост эмбриона (И) изменение концентраций CO₂ и O₂ в воздушной камере яйца (ФЖ, с. 81)

Для роста куриного эмбриона критичны все потоки, включая испарение воды (во внешней среде влажность в общем случае отличается от 100%, а на границе раздела с газовой фазой влажность близка к насыщающей) и запасы влаги в эмбрионе, которые должны обеспечить нормальный рост. В конечном состоянии (когда вылупляется цыпленок) должна быть обеспечена нормальная оводненность тканей, т.е. запас воды должен обеспечить потери на испарение во время роста и эту нормальную оводненность в конце. Если внешний воздух сухой, то эмбрион погибает.

Также критично повышение температуры, в художественной форме это описано в рассказе Носова

(М) состав питательных веществ и количество воды (с учетом ее образования при метаболизме) можно рассчитать от конца с учетом потребностей роста

+ есть задания

(И) сюжет с яйцом иллюстрирует, что подход к расчету организма применим к широкому разнообразию жизненных форм, например, у насекомых происходят закономерные трансформации (вспоминаем или узнаем, какие)

+ еще не обсуждали биологическое воспроизводство в прямом смысле

+ есть разнообразие патологий (которое, в частности, рассматривает медицина)

= обсуждаем очень маленький «кусочек биологии», т.е. абсолютный минимум по биологическому содержанию и лишь в самом общем виде подходы к анализу наблюдаемой биологической организации (по сути, технологию расчета биологических организмов)

Особенность организации поведения животных (включая человека): переходы между состояниями (в частности, как режимами высокой и низкой активности) могут происходить не детерминировано (предсказуемо), как в перечисленных ситуациях, а произвольно

Это механизм осуществления свободного поведения. Свободное поведение в курсе количественной биологии не обсуждаем (это предмет теоретической биологии и единой теории жизнедеятельности), но это самостоятельно важно. Достаточно сравнить волю и неволю практически для любого живого существа, особенно высоко организованного (при всей обеспеченности его физиологических потребностей)

В биологических курсах свободное поведение также очень мало рассматривают, но причины понятны – слишком сложная тема + особенно востребована в связи с социальным поведением, которое во многом выводит за пределы биологии

Обсуждали связи в сопряженных потоках («v_ij = I», кавычки отражают, что не во всех случаях имеет место строгая стехиометрия, как например, при устьичной регуляции фотосинтеза) в дополнение к связи по любому потоку (v_i = I)

Есть еще одно измерение: изменение активности по абсолютной величине, символически – индекс «k» (как переход от основного обмена I₀ к более высокой активности I)

Не случайно обсуждали расчет жабр как расчет для одного потока без этого дополнительного измерения: для рыб метаболический диапазон узкий I /I₀ = 1–2(3)

(РЖ, с. ), теоретическое обоснование получили при расчете объема жабр

Для рыб высокая активность реализуема в анаэробном режиме (в связи с относительной дешевизной избыточно переносимой массы при плавании)

Для крупных теплокровных животных диапазон намного шире

I /I₀ = 1–10 (у тренированных особей и отдельных видов 20–25, и даже до 60 у двух видов)

Как необходимое условие, физиологическая организация должна обеспечивать соответствующие изменения материальных потоков (в частности, на всех этапах и для всех сопряженных потоков) + необходима регуляция

Рассмотрим, как именно все это обеспечено?

Рабочие точки на кривой насыщения гемоглобина: P_A, P_a, P_v и P₀ (давление кислорода соответственно в воздухе легких и в равновесии с артериальной кровью, венозной кровью и тканевой жидкостью в местах потребления – в митохондриях) – должны обеспечить согласование основных этапов транспорта кислорода (поступление в ткани, перенос системой кровообращения, поступление в кровь из легких/органах дыхания)

+ условие низкой концентрации кислорода, чтобы уменьшить окислительную деструкцию

Отсюда формальное требование к кривой насыщения: должны быть по возможности велики и согласованы три «отрезка»: P_A – P_a , Y(P_a) – Y(P_v ) и P_v – P₀

+ необходимо обеспечить эти условия в режимах любой (высокой и низкой) активности, учитывая дополнительно изменения в системах дыхания (потока воздуха через легкие) и кровообращения (изменение потока крови и содержания гемоглобина)

Как следствие необходимости одновременно согласовать условия, противоречащие по требованиям (для транспорта кровью нужно уменьшать P_v, а для поступления в ткани увеличивать P_v + аналогично для P_a в связи с поступлением из легких и транспорта кровью), с ростом нагрузки переход к значению максимального энергопотребления и его последующая остановка происходят резко. Иллюстрация: данные статьи Jones+ (для лошади)

Переходы между режимами высокой и низкой активности

Организация изменения потребления кислорода в широком диапазоне

Интересно, как свойства кривой насыщения гемоглобина и изменение рабочих точек позволяют объяснить изменение потребления в широком диапазоне

(Д) у человека в покое дыхательный объем 500 мл, из которых 150 мл – это так называемый «мертвый объем» (объем трахеи и др.), который не принимает непосредственного участия в обмене газами на границе раздела воздух–капилляры.

При этом объем легких около 1650 мл, т.е. при выдохе в легких остается около 1000 мл (в альвеолах 5% CO₂ и 15% O₂).

Иными словами, в легких атмосферный воздух смешивается с воздухом, который обогащен по концентрации CO₂ и обеднен по концентрации О₂ (при необходимости можно считать, что <парциальное> давление О₂ в легких, обеспечивающее насыщение гемоглобина, составляет 2/3 от атмосферного, например 100 Торр в легких при 150 Торр в воздухе).

Как количественные параметры системы дыхания и кровообращения человека позволяют обеспечить основной обмен и режим высокой интенсивности, при котором потребление возрастает в 10 раз (а у спортсменов – до 20–25 раз)?

Режим высокой интенсивности обеспечивается увеличением дыхательного объема до 3000 мл (при этом значительно уменьшается относительная доля «мертвого объема», который не изменяется). В результате полезный объем воздуха (за вычетом «мертвого пространства»), прокачиваемый через легкие, возрастает 8-кратно. При этом возрастает доля экстрагированного кислорода: поступает воздух с содержанием кислорода 21%, а выходит из легких с содержанием 18% в покое и 15% при интенсивной нагрузке.

Поступление кислорода в кровь возрастает за счет уменьшения концентрации кислорода в венозной крови.

Частота вдохов почти не влияет на поступление кислорода при дыхании (при двукратном увеличении частоты дыхания и неизменных других параметрах поступление кислорода возрастает не более, чем на 10%… см. следующую задачу).

(З) об интенсификации дыхания

(Макеев А.В. «Основы биологии», с. ) Скорость поступления кислорода в кровь пропорциональна его концентрации в легких. В спокойном состоянии человек делает 16 вдохов в минуту. При этом концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 21%, а в выдыхаемом - 16%. Как изменится скорость поступления кислорода в кровь, если человек начнет дышать в 2 раза чаще, тогда как глубина вдоха, составляющая 0.5 л, и скорость кровообращения не изменятся?

Решение:

[O₂] - концентрация кислорода в легких, [O₂]_o - концентрация кислорода в легких в момент вдоха

d[O₂]/dt = -k[O₂]  [O₂] = [O₂]_o exp(-kt)

T = 1/16 мин - время между вдохом и выдохом в спокойном состоянии:

16% = 21%exp(-kT)  k = 4.35 мин^-1

При учащенном дыхании концентрация кислорода в конце выдоха составит: 21%exp(-4.35T/2)  18.3%.

Скорость поступления кислорода в кровь при нормальном дыхании:

(1/16 ч)^-1 (21-16)%*500/100%  400 мл/мин, а при учащенном:

(1/32 ч)^-1 (21-18.3)%*500/100%  427 мл/мин.

Ответ: больше на 7%.

Развитие: уточнить расчет в данной задаче с учетом всех факторов, упомянутых выше

Можно проверить, что при наблюдаемой частоте дыхания (по аллометрическим) и разности концентраций кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, такой дыхательный объем обеспечивает требуемое энергопотребление для теплокровного с соответствующей массой (70 или 81 кг)

Можно проверить, что наблюдаемые характеристики этапов соответствуют интенсивности обмена, которая выражена аллометрическими уравнениями

При массе 81 кг обмен составляет 0,7 27 = 19 л О₂/час

Подача кислорода 16 вдохов/мин 60 мин/час 350мл воздуха/1 вдох 5% = 17,5 л О₂/час

Прокачка через систему кровообращения:

70 мл крови/удар 70 ударов/мин 60 мин/час 100 млО₂/л крови 20% = 5 л О₂/час

При нагрузке возрастает ударный объем – объем крови, выталкиваемый сердцем при одном сокращении (от 70 в покое до 100 мл при нагрузке, т.е. в 1,5 раза) и частота сердечных сокращений (от 60–70 в покое до 200-220, т.е. в 3 раза). В результате перекачиваемый объем крови в единицу времени W возрастает как комбинация (произведение) этих двух величин.

При этом гидродинамический поток крови физически обеспечен за счет увеличения давления p (за счет повышенной работы сердца) и изменения гидродинамического сопротивления кровеносной системы. Оно значительно падает (например, по данным статьи Jones+ у лошади – в 4 раза при максимальной нагрузке) за счет того, что дополнительно открывается капиллярная сеть (прежде всего, в мышцах – выступая как дополнительный шунт). Работа сердца (как требуемая механическая мощность) – это комбинация p W.

Отсюда следует возможная оптимизация и взаимосвязь количественных характеристик, в частности, чтобы обеспечить максимальный эффект потребления при заданной предельной мощности сердечной мышцы. Ясно, что с этой точки зрения нежелательно повышать давление p, т.к. мощность от него зависит квадратично в силу W ~ p/η(c) (как по формуле Пуазейля), но можно увеличить вязкость при одновременном увеличении содержания гемоглобина c (и потребления I, пропорционального c).

В этой связи можно обсуждать изменение вязкости в сравнении с оптимумом, обсуждаемым ранее (тема 2), проблему допинга и т.д.

Также значительно (3-х кратно и даже несколько более) возрастает экстракция (съём) кислорода за счет увеличения Y. В покое при нормальном парциальном давлении О₂ (21 кПа) потребляется 20–25% от кислорода, транспортируемого кровеносной системой, а при интенсивной нагрузке потребление может увеличиваться до 80–90%.

В результате перенос кислорода системой кровообращения возрастает как комбинация всех трех множителей

I = W c Y,

т.к. возрастает содержание гемоглобина c (см. например, по данным статьи Jones+ у лошади – в 1,5 раза)

(И) кривая насыщения гемоглобина играет связующую роль + реализована идея «умножения» условий (в частности, за счет «игры» кривой насыщения, т.е. ее изменения в точке потребления)

+ за счет адаптивного сдвига при нагрузке (эффект Бора и др. ФЖ, с. 108–14) можно обеспечивать полное использование кривой (чтобы поддерживать на низком уровне концентрацию кислорода в местах потребления)

= рабочие точки на кривой насыщения гемоглобина (P_A, P_a, P_v и P₀ ) практически полностью занимают ее при любой интенсивности обмена

В результате 10-кратная ширина метаболического диапазона (или даже 20–25-кратная) не требует изменения каких-либо отдельных величин в столь же широком диапазоне:

Для воздуха, прокачиваемого через легкие – возрастают поток (в основном как глубина вдоха, за счет увеличения частоты дыхания эффект увеличения потребления незначительный) и извлечение

Поток через легкие возрастает больше, чем все другие отдельные величины – примерно в 6 раз (хотя за счет эффекта мертвого пространства полезный объем прокачиваемого воздуха возрастает больше – примерно в 8 раз)

Для поступления в кровь – возрастает разность насыщений между воздухом легких и кровью (в несколько раз – как Y(P_A) – Y(P_v)) и соответственно извлечение при увеличении площади контакта в легких и объема воздуха в них, отдающего кислород

Для перекачивания (переноса) кровеносной системой – возрастают поток (за счет разности давлений и кратного уменьшения! гидродинамического сопротивления), разность и содержание гемоглобина

Вспоминаем, что оптимальное содержание гемоглобина – это предварительный ориентир (многое не учитывали: …, разобраться = сюжеты для заданий), здесь эмпирическое объяснение эффекта от использования допинга (а теоретическое объяснение дает более полный анализ, который возможен с учетом всех рассмотренных обстоятельств)

(Д) подробная иллюстрация: статья Jones+

Какая регуляция переключений?

Регуляция дыхания и кровообращения

Потоки при дыхании и кровообращении требуют регуляции и естественно в качестве основной регулирующей величины использовать величину, которая больше изменяется (в относительном выражении). По этой причине дыхание воздухом регулируется (ФЖ, с. 57–61) по СО_2(г) (в легких, а не в крови), а дыхание в воде – по О₂.

Кроме того, важным фактором при организации дыхания и кровообращения является кислотно-щелочной баланс, на который изменение СО₂ влияет больше, чем непосредственно изменение содержания кислорода.

Интересное развитие в этой связи – анализ наблюдаемого выбора организации дыхания для различных животных (жабр, легких птиц и легких других теплокровных), см. также обсуждение в связи с пищеварением и переключение режимов дыхания и пищеварения – статья «Eat and run…» (список заданий)

Быстрое переключение кровообращения на режим высокой интенсивности при нагрузке (и обратное выключение режима высокой интенсивности с прекращением нагрузки) обеспечивает положительная обратная связь как органичная особенность сердечной мышцы – закон Франка–Старлинга (закон сердца). Чем больше крови поступает в сердце, тем сильнее оно сокращается.

(Д) («Основы физиологии», с. 275): работа сердца при одном сокращении в зависимости от среднего давления в левом предсердии (и частоты нервных импульсов) при нагрузке возрастает почти на порядок.

При нагрузке поступление крови в сердце увеличивается за счёт сокращения работающей мускулатуры (которая при сокращении вытесняет кровь из сосудов, находящихся в ней). В этом особенно велика роль самой мощной анаэробной мускулатуры, которая первой включается при нагрузке, а затем быстро утомляется.

Рассмотренный «маленький кусочек» биологии имеет очень большое значение для физиологии и медицины (в частности, можно обсуждать полученные дальше количественные комбинации характеристик с точки зрения различных патологий)

А главное, важна, универсальна и практически единственна используемая технология количественного обоснования качественно организации жизнедеятельности, установления количественных связей (в частности, расчет органов при заданной качественной организации) и подход к расчету организмов

+ это точка сборки биологических знаний и освоение биологии от основных связующих расчетов, подходов и идей (на этой основе можно начинать «дружить с биологией тем, кто ее не знает, или продолжить «дружбы» на существенно более эффективной основе – тем, кто биологию в той или иной мере знает)