В процессе выживания организмов в различной среде важную роль играет энергия, выделяющаяся в организме [4]. Поток энергии в организме может быть описан величинами потребления пищи, потребления кислорода, количеством выделенного углекислого газа и другими показателями. Но вся энергия в организме в виде усвоенных питательных веществ пропорциональна количеству поглощенного кислорода. Эта фундаментальная закономерность, отражающая приложение первого начала термодинамики к организму животного, лежит в основе большинства методов изучения энергетического обмена. Потребление кислорода организмом является одной из главных функций живой природы. Изучение потребления кислорода в замкнутом пространстве может моделировать ситуации нахождения человека в космическом корабле, подводной лодке, ситуации после землетрясений при разрушении и изоляции человека, при производственных работах в емкостях и другие ситуации. Большее потребление кислорода организмом при его адаптации к внешней среде приводит к выработке большего количества энергии и улучшает выживание [4, 5]. В различные периоды жизни на Земле количество кислорода в атмосфере значительно менялось. Поэтому можно предположить, что в организме остались работоспособными системы, которые включаются при низких концентрациях кислорода и переключают работу организма на особый, пока нам неизвестный режим работы. В настоящее время достаточно подробно изучен вопрос потребления кислорода в покое и при физической нагрузке. Но сравнительно мало данных о динамике потребления кислорода в заведомо замкнутом пространстве при его потреблении организмом до предельного уровня. Нет комплексных полных данных потребления кислорода в замкнутом пространстве камеры до его полного потребления организмом при заполнении камеры 20 % кислородом и 80 % аргоном [1, 2]. Эти данные могут иметь практическое значение, так как заполнение пространства менее 14 % кислородом (остальное аргон) предотвращает горение в этой среде. Поэтому исследование потребления кислорода в инертных газах [1, 2, 3] может дать характеристику тех пределов выживаемости организма, которые могут встретиться в результате аварий, катастроф.
Материалы и методы исследования
В опытах использовались лабораторные животные: кролики, крысы. Животные помещались в изолированную газонепроницаемую камеру, которая имела штуцер входа газа и выхода. Камера заполнялась воздухом (у крыс 1850 мл, у кроликов 56 литров), воздух прокачивался воздушным насосом через датчики кислорода и углекислого газа и опять возвращался в камеру. Таким образом, концентрация кислорода постепенно уменьшалась, а углекислого газа увеличивалась. С датчиков газа напряжение преобразования подавалось на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), проводилось измерение 100 величин и средняя величина показателей за 1 минуту вводилась и регистрировалась на компьютере. С помощью программного обеспечения (программы написаны были нами) определялось количество потребленного кислорода в (мл) и выделившегося углекислого газа в одну минуту на килограмм веса и другие параметры. Когда компьютер показывал, что потребление кислорода в течение 2–5 минут не возрастает, раздавался сигнал тревоги, в камеру закачивался воздух и опыт прекращался. В результате, мы полностью исключили потерю животных в опыте. Для исследования брали газовые смеси – воздух (азота 80 %, кислорода 20 %), кислородно-аргоновую смесь (кислорода 20 %, аргона 80 %). Животные по одному помещались в камеру, и проводился опыт. Количество кроликов и крыс составило по 15 животных в опытной и контрольной группах. После опытов все данные статистически обрабатывались и на графиках были представлены средние величины показателей по всем животным.
Результаты исследования и их обсуждение
Потребление кислорода животными в замкнутом пространстве ведет к уменьшению его концентрации пропорционально времени пребывания в камере животного. Одновременно происходит выделение углекислого газа и повышение его концентрации. В наших опытах, представленных в данной работе, углекислый газ не поглощался. Поэтому результаты опытов поглощения кислорода при возрастающей концентрации углекислого газа носят как фундаментальный характер изучения влияния разных концентраций газов на организм, так и являются важными при моделировании аварий с полной изоляцией человека.
Рис. 1. Средние величины (n = 15) поглощения кислорода и выделения углекислого газа у крысы в замкнутой камере (1850 мл) в среде воздуха (азот 80 %, кислород 20 %) за 50 минут опыта. По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода и углекислого газа в процентах в камере, где находится животное
Анализ результатов опытов определения потребления кислорода у крыс при заполнении изолированной камеры воздухом показал, что в первые 1–10 минут опыта потребление кислорода (рис. 1) составило 25,7 мл/кг/мин. При дальнейшем продолжении опыта на 25–50 мин потребление кислорода уменьшилось в два раза и составило 13,8 мл/кг/мин. Средняя величина поглощения кислорода в воздухе за 50 минут составила 16,7 мл/кг/мин.
Выделение углекислого газа у крыс в камере было пропорционально поглощению кислорода, но величина выделения углекислого газа была меньше величины поглощения кислорода.
Соотношение максимального поглощения кислорода в начале опыта и в конце опыта составило 25,7/12,88 = 1,99 раза (уменьшилось потребление кислорода у крыс в конце опыта в воздухе в 2 раза).
Анализ результатов опытов определения потребления кислорода у крыс при заполнении изолированной камеры аргоном показал, что в первые 1–10 минут опыта потребление кислорода (рис. 2) составило 21,04 мл/кг/мин. При дальнейшем продолжении опыта на 50–60 минуте потребление кислорода уменьшилось в три раза и составило 7 мл/кг/мин. Средняя величина поглощения кислорода за 60 минут (весь опыт) в аргоне составила 14,82 мл/кг/мин.
Поглощение кислорода за первые 10 минут опыта было 21,06 мл/кг/мин (начало 1–10 минут). Поглощение кислорода в аргоне у крыс за 60 минут опыта было 14,82 мл/кг/мин (1–60 мин). Поглощение кислорода в конце опыта с аргоном на 50–60 минуте было 7 мл/кг/мин (50–60 мин). Соотношение максимального поглощения кислорода в аргоне в начале опыта и в конце опыта составило 21/7 = 3 раза (в конце опыта уменьшилось потребление кислорода у крыс с аргоном в 3 раза по сравнению с началом опыта).
Результаты опытов с кроликами
Анализ результатов опытов определения потребления кислорода у кроликов при заполнении изолированной камеры воздухом показал, что в первые 30 минут опыта потребление кислорода (рис. 3) составило 12,61 мл/кг/мин. При дальнейшем продолжении опыта на 70–120 мин потребление кислорода уменьшилось и составило 9,1 мл/кг/мин.
Таблица 1
Поглощение кислорода и выделение углекислого газа, мл/кг/мин, при измерении в разных интервалах опыта в воздухе у крыс
|
Время интервала, мин |
Кислород, мл/кг/мин |
Углекислый газ, мл/кг/мин |
Дыхательный коэффициент |
|
1–10 мин |
25,7 |
20,48 |
0,797 |
|
1–50 мин |
16,7 |
13,57 |
0,81 |
|
25–50 мин |
13,8 |
10,28 |
0,74 |
|
40–50 мин |
12,8 |
10,5 |
0,815 |
Рис. 2. Поглощение кислорода и выделение углекислого газа у крыс в замкнутой камере в среде аргона (аргон 80 %, кислород 20 %) за 60 минут опыта. По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода и углекислого газа в процентах в камере, где находится животное
Таблица 2
Поглощение кислорода и выделение углекислого газа мл/кг/мин при измерении в разных интервалах времени опыта в газовой смеси с аргоном у крыс
|
Время интервала, мин |
Кислород, мл/кг/мин |
Углекислый газ, мл/кг/мин |
Дыхательный коэффициент |
|
1–10 мин |
21,06 |
15,8 |
0,752 |
|
1–60 мин |
14,82 |
10,14 |
0,684 |
|
25–50 мин |
13,1 |
8,42 |
0,64 |
|
40–50 мин |
11,11 |
7,6 |
0,68 |
|
50–60 мин |
7,02 |
6,43 |
0,91 |
Рис. 3. Средние величины поглощения кислорода и выделения углекислого газа у кроликов в замкнутой камере (56 литров) в среде воздуха (азот 80 %, кислород 20 %) за 120 минут опыта. По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода и углекислого газа в процентах в камере, где находится животное
Средняя величина поглощения кислорода в воздухе у кролика за 120 минут опыта была 11,41 мл/кг/мин (1–120 мин). Поглощение кислорода у кроликов за первые 30 минут опыта было 12,61 мл/кг/мин (начало 1–30 минут). Поглощение кислорода в воздухе на 70–120 минуте опыта было 9,1 мл/кг/мин (70–120 мин). Соотношение максимального поглощения кислорода в воздухе в начале опыта и в конце опыта составило 11,41/9,1 = 1,25 раза, что соответствует уменьшению потребления кислорода на 20,2 %.
Анализ результатов опытов определения потребления кислорода у кроликов (рис. 4) при заполнении изолированной камеры аргоном (аргон 80 %, кислород 20 %) показал, что за первые 15 минут опыта было 10,27 мл/кг/мин. Поглощение кислорода на 120–190 минуте опыта было 4,37 мл/кг/мин. Соотношение максимального поглощения кислорода в аргоне в начале опыта и в конце опыта составило 12,37/3,17 = 3,9 раза.
Таблица 3
Поглощение кислорода и выделение углекислого газа, мл/кг/мин, при измерении в разных интервалах опыта в воздухе у кроликов
|
Время интервала, мин |
Кислород, мл/кг/мин |
Углекислый газ, мл/кг/мин |
Дыхательный коэффициент |
|
1–20 мин |
12,36 |
11,64 |
0,942 |
|
1–30 мин |
12,61 |
10,67 |
0,846 |
|
1–120 мин |
11,41 |
8,85 |
0,77 |
|
70–120 мин |
9,2 |
8,1 |
0,88 |
|
90–120 мин |
9,2 |
6.79 |
0,738 |
Рис. 4. Средние величины поглощения кислорода и выделения углекислого газа у кроликов в замкнутой камере (56 литров) в среде аргона (аргон 80 %, кислород 20 %) за 190 минут опыта. По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода и углекислого газа в процентах в камере, где находится животное
Таблица 4
Поглощение кислорода и выделение углекислого газа, мл/кг/мин, при измерении в разных интервалах опыта в газовой смеси с аргоном у кроликов
|
Время интервала, мин |
Кислород, мл/кг/мин |
Углекислый газ, мл/кг/мин |
Дыхательный коэффициент |
|
1–20 мин |
12,37 |
10,1 |
0,81 |
|
1–190 мин |
7,81 |
6,05 |
0,774 |
|
120–190 мин |
4,37 |
3,32 |
0,759 |
|
150–190 мин |
3,17 |
2,54 |
0,8 |
Поглощение кислорода в замкнутой камере у кроликов в среде аргона (аргон 80 %, кислород 20 %) за первые 20 минут опыта было 12,3 мл/кг/мин (начало 1–20 минут), поглощение кислорода на 120–190 минуте опыта было 4,37 мл/кг/мин.
Заключение
Результаты проведенных исследований позволили получить новые данные по эффектам действия измененных газовых сред (кислородно-азотной и кислородно-аргоновой среды). В результате проведенного исследования установлено, что аргон способствует более продолжительному выживанию в замкнутом пространстве при утилизации кислорода до минимума за счет уменьшения потребления кислорода, на фоне соответствующего увеличения углекислого газа. Полученные данные могут составить основу для исследования уменьшения потребления кислорода у человека при гипобиозе, что является одним из базовых элементов значительного продления жизни человека. Эффекты уменьшения потребления кислорода у человека в различных газовых средах могут понадобиться при длительных космических полетах при освоении Вселенной, при освоении Мирового океана.
Рецензенты:
Торшин В.И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой нормальной физиологии Медицинского института, ФГАУ ВО «Российский университет дружбы народов», г. Москва;
Северин А.Е., д.м.н., профессор кафедры нормальной физиологии Медицинского института, ФГАУ ВО «Российский университет дружбы народов», г. Москва.