Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПРЕБЫВАНИИ КРОЛИКОВ И КРЫС В ЗАМКНУТОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ДЫХАНИИ ВОЗДУХОМ И ДЫХАТЕЛЬНОЙ СМЕСЬЮ С АРГОНОМ

Ананьев В.Н. 1
1 ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН
Поток энергии в организме может быть описан с помощью значений потребления продуктов питания, потребления кислорода, количества выделенного углекислого газа и другими показателями. В процессе выживания в различной среде важную роль играет энергия, выделяющаяся в организме. Но вся энергия в организме в виде усвоенных питательных веществ пропорциональна количеству поглощенного кислорода. Этот фундаментальный закон, отражающий применение первого закона термодинамики к организму животного, является основой большинства методов для изучения энергетического обмена. Совершенно не исследованным является применение различных дыхательных смесей в замкнутом пространстве для управления процессом поглощения кислорода организмом, что важно знать при природных и производственных катастрофах. Поэтому в нашей работе мы изучили динамику изменения концентрации кислорода и углекислого газа при длительном максимальном пребывании в замкнутом пространстве кроликов и крыс. Нами показано, что пребывание в замкнутом пространстве уменьшает со временем потребление кислорода у крыс и кроликов. В кислородно-аргоновой газовой дыхательной среде (20 % кислород, 80 % аргон) в замкнутом пространстве потребление кислорода уменьшается у этих животных более интенсивно, чем в воздухе. Аргон значительно уменьшает потребление кислорода у крыс и кроликов при низком содержании кислорода в дыхательной смеси.
крысы
кролики
потребление кислорода
выделение углекислого газа
замкнутое пространство
воздух
кислород
азот
аргон
1. Вдовин А.В., Ноздрачева Л.В., Павлов Б.Н. Показатели энергетического метаболизма мозга крыс при дыхании гипоксическими смесями, содержащими азот или аргон // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – 1998. – № 6. – С. 618–619.
2. Зальцман Г.Л., Кучук Г.А., Гургенидзе А.Г. Основы гипербарической физиологии. – Л.: Медицина, 1970. – С. 320.
3. Лазарев Н.В. Биологическое действие газов под давлением. – Л.: Изд-во Военно-мед. акад., 1941. – С. 219.
4. Проссер Л. Сравнительная физиология животных. – М., 1977. – № 1. – С. 606.
5. Тимофеев Н.Н. Гипобиоз и криобиоз. – М., 2005. – С. 256.

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.

pic_1.wmf

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

pic_2.wmf

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

pic_3.wmf

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

pic_4.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Ананьев В.Н. ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПРЕБЫВАНИИ КРОЛИКОВ И КРЫС В ЗАМКНУТОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ДЫХАНИИ ВОЗДУХОМ И ДЫХАТЕЛЬНОЙ СМЕСЬЮ С АРГОНОМ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 1-8. – С. 1529-1533;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38241 (дата обращения: 20.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074