Лекции по экологической физиологии / лекция 6 ЭФ 2012

26

7 Глава 6

Барометрическая

Нырятельная

Животные и человек редко попадают в среду с повышенным содержанием кислорода и испытывают влияние гипероксии. Поэтому о ней говорить не будем. А состояние гипоксии его ткани и клетки испытывают не редко, и она может возникнуть на разных этапах транспорта кислорода к ним из внешней среды:

Внешняя среда

↓

Органы дыхания (легкие, жабры)

↓

Кровеносная система + Кровь (О₂–переносящий белок)

↓

Внутриклеточные пути доставки О₂ в митохондрии

↓

Скорость реакций с образованием и расходованием АТФ

↓

Вынос конечных продуктов из клетки и из организма

↓

Внешняя среда

Препятствия для транспорта кислорода из внешней среды к клеткам могут возникнуть из-за болезней органов дыхания (пневмония), ССС (пороки сердца, ишемия миокарда), разного рода малокровий (кровопотеря и недостаток гемоглобина), нарушений внутриклеточных процессов от снижения скорости транспорта кислорода по клеточным структурам до сниженной активности митохондриальных ферментов. Могут возникнуть сложности и с выводом из клетки конечных продуктов обмена или с их нейтрализацией, например, той же молочной кислоты, которая повышает кислотность клеточных растворов и снижает, тем самым, активность митохондриальных ферментов.

Остановимся только на тех явлениях, которые возникают в организме животного, когда среда его обитания становится гипоксической – с малым содержанием кислорода. Состав окружающего нас воздуха известен, табл. 18.

Таблица 18. Состав сухого атмосферного

воздуха, % (Otis, 1964), по [71]

Азот 78.09

Кислород 20.95

Аргон 0.93

Двуокись углерода 0.03

При этом парциальное давление О₂ и СО₂ в растворе, который уравновешен с таким воздухом, будет составлять для этих газов 150 и 0.2 мм рт. ст., что соответствует 21% и 0.03% от 760 мм рт. ст. В легких и крови давление для кислорода будет меньше, а для углекислоты больше, табл.19.

Таблица 19. Парциальное давление (р) и концентрация (с) кислорода и двуокиси углерода в крови и альвеолярном газе человека [24]

Среда	рО2	рСО2	сО2	сСО2
	мм рт. ст.		об. %
Альвеолярный воздух	100-110	34-40	14-16	5.3-5.7
Артериальная кровь	92-103	36-41	19-20	48-52
Венозная кровь	37-40	43-50	12-15	53-58

В крови человека основная часть кислорода связана с гемоглобином, образуя оксигемоглобин, а количество кислорода, растворенного в крови, пропорционально его парциальному давлению и при рО₂ 100 мм рт. ст. составляет всего 0.24 об. %. 63% углекислого газа содержится в бикарбонатах (НСО^-₃) эритроцитов и плазмы, 29% СО₂ связано в карбогемоглобине и 8% физически растворено [22]. Когда рО₂ во внешней среде снижается развивается дыхательная гипоксия. Это происходит, когда падает барометрическое давление или снижается концентрации кислорода, в частности, для наземных позвоночных во вдыхаемом и, как следствие, в альвеолярном воздухе.

Барометрическая гипоксия возникает при подъеме в горы, где с высотой снижаются барометрическое давление и парциальное давление кислорода, рис. 45.

Рис. 45. Зависимость атмосферного давления и парциального давления кислорода от высоты (Dejours, 1966), по: [71].

1-высота, на которой большинство неакклиматизированных людей теряет сознание от недостатка кислорода, 2-наибольшая высота постоянных поселений человека, 3-наибольшая высота, на которой акклиматизированные люди могут выжить несколько часов, вдыхая воздух, 4-наибольшая высота, доступная человеку при дыхании чистым кислородом.

Имитацию такого подъема в горы делают, помещая человека или иной живой организм в барокамеру и снижая в ней барометрическое давления. В таких барокамерах можно изучать довольно длительное действие гипоксии. Крыс, например, содержат в барокамере до нескольких месяцев. Используют и другой прием создания гипоксической дыхательной среды: не меняя барометрическое давление, снижают в внешней среде концентрацию кислорода до 15% и менее и заменяют его азотом. При изучении реакции организма на сравнительно краткую гипоксию, как правило, используют этот методический прием.

У неаклиматизированных людей по мере подъема в горы снижается мышечная работоспособность и падает уровень максимального потребления кислорода при мышечной работе. Приведем два примера [32]:

У спортсменов максимальное время бега со скоростью 12 км/ч	У солдат максимальное потребление кислорода в 1 мин на 1 кг Мт
на уровне моря – 30 мин	на уровне моря – 51 мл
на высоте 2270 м – 11 мин	на высоте 1700 м - 52 мл
на высоте 3490 м – 2 мин	на высоте 3800 м - 35 мл

Трудность, а затем и неспособность на высоте производить мышечную работу означает, что концентрация кислорода в крови, а главное, на поверхности органных клеток (в данном случае мышечных и нервных) падает ниже критического уровня, и их метаболизм становится зависимым от этой концентрации. В этих условиях в органах появляются недоокисленные продукты клеточных реакций энергетического обмена, в частности, молочная кислота. Ее концентрация в крови крыс заметно повышается уже после 1 ч нахождения в среде низким содержанием кислорода в 12% и ниже, рис. 46.

Рис. 46. Концентрация молочной кислоты в крови крыс, находящихся 1 ч в воздушной среде с разным содержанием кислорода [26].

В других опытах на крысах обнаружено, что в первые дни пребывания на высоте более 3 км во всех исследованных органах концентрация молочной кислоты увеличивается в несколько раз. К 1.5-месячному пребыванию на высоте она заметно снижается, однако только в головном мозге достигает исходного уровня; в остальных органах, особенно мышечных, остается повышенной, рис. 47.

Рис. 47. Динамика концентрации молочной кислоты в тканях белых крыс во время пребывания в горах Тянь-Шаня на высоте 3200 м [79].

1 – исходное состояние на высоте 760 м; 2, 3, 4, 5 – пребывание на высоте 6, 20, 30, 45 сут.

Реакции, развивающиеся в организме, попавшем в гипоксическую среду, условно можно разделить на два класса – острые функциональные и отдаленные, в том числе структурные, рис. 48.

Рис. 48`. Физиологические изменения, протекающие в организме в процессе адаптации к гипоксии (Барбашова, 1964), по: [54].

Среди острых реакций - это повышение работы сердца и дыхательных мышц, которые приводят к ускорению кровотока и более быстрому обновлению крови в легких. Растет частота пульса табл. 20.

Таблица 20. Частота пульса у человека при изменении высоты в барокамере [32]
Высота, м	Пульс/мин
	покой	динамометриия
0	65	71
3000	76	84
4000	84	95
5000	94	105
6000	101	115
7000	107	123
8000	114	133

Соответственно, увеличивается и МОК. Так, при переходе к дыханию воздушной смесью с концентрацией кислорода 8.5% он поднимается, л/мин, от 5.3 до 8.3 через 5 мин и до 9.0 через 10 мин [32]. Сравнительно длительная высокогорная гипоксия также приводит к первоначальному увеличению МОК, но через 2 мес. его величина практически приближается к исходным значениям, табл. 21.

Таблица 21. Показатели гемодинамики во время пребывания

в горах Тянь-Шаня на высоте 3200 м [17].

Показатель	Контроль 760 м	Сутки пребывания
		2		15		30	60
Собака
Ударный объем, мл /100 г	6.0	5.5		6.0		6.1	5.1
Частота пульса в 1 мин	98	113		114		124	100
МОК, мл•мин-1•100 г легкого-1	585	617		658		754*	506
Морские свинки
Ударный объем, мл /100 г	3.9	4.5	4.0		4.9		3.6
Частота пульса в 1 мин	263	233	272		279		257
МОК, мл•мин-1•100 г легкого-1	1014	1038	1089		1357*		943

МОК в табл. 21 рассчитан на 100 г легкого. Его относительная масса равна 1% Мт, поэтому 100 г легкого соответствуют 10 кг Мт. Следовательно, исходный МОК, рассчитанный на Мт, должен быть равен у собак 58, а у свинок 101 млмин^-1кг^-1 Мт. Рассчитанные таким способом величины МОК ниже реальных, примерно, в два раза (рис. 10), однако их динамика во время пребывания на высоте, по-видимому, соответствует действительной динамике.

Подробное изучение изменений ССС в высокогорье были проведены М.В. Балыкиным с коллегами на собаках, которых на 30 сут. поднимали с высоты 720 м на высоту 3200 м над ур.м. Исследователи показали, что в первые 2 нед. пребывания в высокогорье МОК у животных растет в ответствии с увеличением ЧСС, но к концу месяца снижается до исходного уровня, рис. 49.

Рис. 49. Минутный объем кровообращения у спокойных собак во время месячного пребывания на высоте 3200 м над ур. м. [3].

Изменяется при этом и межорганное распределение МОК: кровоток в пищеварительных органах растет, несколько меньше он увеличивается в сердце, почках, щитовидной железе и почти не меняется в головном мозге. К концу пребывания на высоте кровоток заметно растет в надпочечниках и падает в некоторых скелетных мышцах, табл. 22.

Таблица 22. Органная скорость кровотока (млмин^-1кг^-1) у спокойных собак во время пребывания на высоте 3200м над ур. м. [3].

Органы	Высота 760 м. контроль	Сутки на высоте 3200 м
		5-7	15	30
Головной мозг	61	66	66	63
Сердце	70	101	90	72
Почки	254	324	308	274
Печень (артериальный)	12	47	42	34
Тонкий кишечник	26	66	41	40
Надпочечники	34	33	50	75
Щитовидная железа	60	71	72	53
Четырехглавая бедра	10	10	13	5
Трехглавая плеча	11	11	9	6
Прямая живота	10	10	10	6
Длиннейшая спины	6	7	8	8

В высокогорье не сразу, но очень серьезно повышается способность крови, ее гемоглобина (Нb) переносить кислород из внешней среды к клеткам. В табл. 23 приведены данные двух групп испытуемых: одну на самолетах забрасывали на высоту 3350 м и обследовали сразу и через 3 нед, когда их подняли дополнительно на высоту 3950 м; вторую группу сразу подняли на высоту 3950 м и обследовали через 8 нед.

Таблица 23. Показатели крови у здоровых мужчин среднего возраста, впервые оказавшихся на разных высотах в Гималаях (Nayar, 1965), по: [32].
Показатель	Высота, барометрическое давление и время обследования
	Уровень моря, 738 мм рт. ст.	3350 м (1 сут) 500 мм рт. ст.	3950 м (3 нед) 464 мм рт. ст.	3950 м (8 нед) 464 мм рт. ст.
Эритроциты, млн/мм3	5.01	5.06	5.29	5.81
Гемоглобин, г %	15.2	15.5	16.6	17.1
Гематокрит, %	43.6	44.3	48.5	51.7

Можно видеть, что у испытуемых (больше у второй группы) увеличиваются концентрация Нb и гематокрит. Заметим, что увеличение гематокрита повышает вязкость крови, что требует дополнительных мышечных усилий сердца для повышения системного артериального давления и обеспечения кругооборота более вязкой жидкости. Поэтому не случайно, при длительном пребывании в высокогорье развивается гипертрофия сердца [54].

По мере подъема мест обитания у млекопитающих снижается оксигенации артериальной крови. Это явление хорошо выражено у овец [54]. В то же время у аборигенов гор – лам и грызунов - висунов оксигенация артериальной крови на одинаковой с овцами высоте, как правило, заметно выше, рис. 50.

Рис. 50. Содержание оксигемоглобина в артериальной крови лам (1), грызунов викунов (2) и овец (3), обитающих на разных высотах (Hall et al.,1936), по: [54].

У жителей гор по сравнению с равнинными жителями значительно повышены показатели красной крови и существенно увеличено ее количество, табл. 24.

Таблица 24. Гематологические показатели у постоянных жителей Лимы и Морокочи (Hurtadо, 1964), по: [32]

Показатель	Лима 0 м	Марокоча 4540 м
Объем крови, мл/кг Мт	80	100
Гемоглобин, г/кг Мт	756	1166
Эритроциты, млн/мм3	5.11	6.44
Гемоглобин, г/100 мл крови	12	21
Гематокрит, %	47	60

Похожие данные приводят и для собак. Кроме того, у них обнаружено резкое повышение в скелетных мышцах концентрации миоглобина (Мb), который, связывая кислород, образует временное его депо, табл. 25. Позднее на морских млекопитающих мы увидим важность этого белка.

Таблица 25. Эритроциты, гемоглобин крови и миоглобин в мышцах у собак, выросших на разных высотах (Hurtado et al., 1937), по: [54]

Высота	Масса тела,кг	Эритроциты, млн.	Нb крови, г/100 мл	Гематокрит, %	Миоглобин, г/100 г сухой ткани
					диафрагма	сердце	Мышцы ног	Грудные мышцы
Уровень моря	11	6.1	14	47	438	237	365	308
4530 м над у. м.	11	8.0	21	59	735	331	607	524

В высокогорье увеличиваются не только количество крови в организме и концентрация в ней Нb, но меняется и способность Нb связывать кислород. У ламы и викуньи по сравнению с равнинными млекопитающими образование НbО₂ происходит при более низких рО₂ - кривая диссоциации НbО₂ сдвигается влево, что способствует большей оксигенации крови в легких, рис. 51.

Рис. 51. Кривые диссоциации оксигемоглобина крови ламы и викуньи (слева) по сравнению с теми же кривыми у других млекопитающих (заштрихованная область) (Hall еt al.,1936), по: [71].

Похожая картина наблюдается в крови плода по сравнению с кровью матери. У плода НbО₂ также связывается с кислородом при сравнительно низком рО₂ в крови материнской плаценты. Причем, во время беременности кривая диссоциации НbО₂ матери сдвигается вправо, рис. 52.

Рис. 52. Кривые диссоциации оксигемоглобина в крови беременной козы и ее плода (Barcroft, 1935); пунктиром показаны пределы, в которых лежат те же кривые для небеременных коз, по: [71].

Однако при адаптации к гипоксии не всегда находят сдвиг кривой диссоциации НbО₂ влево, при котором сродство кислорода и белка Нb увеличивается, что улучшает оксигенацию гемоглобина в легких. Чаще наблюдают сдвиг этой кривой вправо (он наблюдается у коз при беременности, рис. 52), при котором отрыв молекулы О₂ от Нb, облегчается, что важно для тканей организма, поглощающих О₂.

При длительной высокогорной гипоксии обнаружены адаптивные морфологические изменения в легких. Так, поверхность альвеол увеличивается, и это благоприятствует транспорту кислорода из легких в кровь, табл. 26.

Таблица 26. Параметры легких у 24 мужчин - аборигенов

различных высот (Gareila-Oyola, Saldana, 1974), по: [32]

Параметр	Уровень моря	2761-3000 м	3840-4330 м
Общее число алвеол х 106	287	300	337
Поверхность альвеол, м2	61	75	80
Диаметр альвеолы, мкм	264	283	287

У рабочих, длительное время работающих в рудниках Кавказа, находят заметные изменения в крови и в работе дыхательной и сердечно-сосудистой системах, табл. 27.

Таблица 27. Показатели внешнего дыхания, гемодинамики и крови

у новичков и рабочих (5 лет стажа) на высотах Кавказа [26]

Показатель	Киев 200 м	Терскол 2100 м		Карьер 3100 м	Станция «Мир» 3500 м
	неадапти- рованные	неадапти- рованные	рабочие- горцы	шахтеры	неадапти- рованные	строители – горцы
МОД, л/мин	7.3	9.5	9.7	8.8	10.3	10.2
МОК, л/мин	5.0	5.0	5.3	4.4	4.7	4.4
ЧСС/мин	52	52	69	64	58	73
УО, мл	91	100	75	69	82	61
Hb, г %	15	15	16	16	15	17
HbО2 %,	96	87	93	92	79	83
Артерия О2, об. %	19	17	20	19	15	19
АВО2 об. %	5	5	6	8	5	9
Потребление О2, млмин-1кг Мт-1	4.1	4.0	3.8	4.8	3.9	5.1