CC BY
271
УДК 616.152.21
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ОКСИГЕНАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ
© З.У. Арабова, Ф.А. Шукуров, Е.В. Малышева, А.В. Гулин
Ключевые слова: гипоксическая гипоксия; парциальное давление кислорода; атмосферное давление.
В горах человек подвергается воздействию комплекса факторов. По мере поднятия на высоту атмосферное давление, температура воздуха и влажность убывают, космическая, световая, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация возрастают. Однако определяющим для человеческого организма фактором является пониженное парциальное давление кислорода (рО2), обусловленное падением атмосферного давления. Высотный порог, вызывающий соответствующие сдвиги в организме человека, варьирует в зависимости от климато-метеоро-логических условий разных горных систем. Кроме того, он зависит от индивидуальных особенностей, пола и возраста людей, их физического и психического состояния, уровня тренированности, наличия «высотного опыта». В работе исследовано состояние кислородного голодания, которое возникает у человека в горах, называемого гипоксической гипоксией.
ВВЕДЕНИЕ
Состояние кислородного голодания, которое возникает у человека в горах, называется гипоксической гипоксией. Выделяют две ее формы: острую и хроническую. Острая гипоксия появляется при относительно коротком воздействии недостатка кислорода, исчисляемом секундами, минутами или часами (быстрый подъем на высоту 4000-5000 м и более, вдыхание газовых смесей, содержащих 12,0-10,5 % О2 и менее). Хроническая гипоксия развивается, когда человек находится в условиях дефицита О2 более длительное время (дни, недели, месяцы, годы). В хронической гипоксии принято выделять острый период («аварийную» стадию) и период относительной стабилизации функций. В «аварийную» стадию симптомы острого кислородного голодания проявляются достаточно ярко и имеют определенное сходство с симптомами острой гипоксии. Стадия относительной стабилизации сопровождается энергетически более выгодными для организма перестройками. Однако дополнительные нагрузки в этот период могут привести к дезадаптации [1-3].
Газовый состав крови играет ключевую роль в оценке физиологического статуса человека, находящегося в условиях высокогорья. Параметры газового состава крови могут быть разделены на подгруппы:
1) параметры оксигенации крови;
2) метаболические параметры, связанные с оксиге-нацией;
3) параметры кислотно-основного состояния [4-5].
Параметрами оксигенации артериальной крови людей, находящихся в условиях высокогорья, являются парциальное давление кислорода (рО2), насыщение крови кислородом (sO2) и концентрация гемоглобина.
Хотя все параметра важны, рО2 в первую очередь отражает поступление кислорода из легких, а sO2 указывает на степень использования транспортной емкости крови. Развитие этой концепции базируется на данных физиологии. Концепция делит параметры, связан-
ные с кислородным состоянием, на две группы: 1) поступление кислорода; 2) транспорт кислорода [5].
Поглощение кислорода в легких в первую очередь зависит от напряжения кислорода в альвеолярном воздухе, зависящего от атмосферного давления, степени внутри- и внелегочного шунтирования крови и от диффузной способности легочной ткани. На поступление кислорода оказывают влияние и другие факторы, такие как содержание гемоглобина в крови (БЪ). Ключевым параметром, определяющим степень поглощения кислорода, является парциальное давление кислорода (РО2) [3-4].
Транспорт кислорода, т. е. количество кислорода, транспортируемое литром артериальной крови, зависит в основном от концентрации гемоглобина (БЪ) в крови, парциального давления кислорода в артериальной крови (рО2) и насыщения кислородом артериальной крови sO2 [2].
Таким образом, такие параметры, как рО2, sO2 и концентрация гемоглобина, можно рассматривать как показатели респираторной и гематологических составляющих доставки кислорода к тканям, которые являются ключевыми для оценки оксигенации артериальной крови.
Цель работы: в данной работе мы дали оценку параметрам оксигенации артериальной крови людей, находящихся в условиях высокогорья, по парциальному давлению кислорода (рО2), насыщению крови кислородом ^02) и концентрации гемоглобина.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В программе обследования принимали участие 26 человек в возрасте 20-26 лет, которые были перемещены на 10 суток в условия высокогорья (на высоту 3200 м). Проведено три серии исследований - до восхождения в горы (высота 680 м), в условиях высокогорья (высота 3200 м), после восхождения в горы (высота 680 м). В исследованиях дана оценка влияния условий высокого-
рья на газовый состав крови. Исследования проводили на анализаторе газов Istat Fbbot.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
рО2 - парциальное давление (напряжение) кислорода в газовой фазе, находящейся в равновесии с кровью. Высокое и низкое рО2 артериальной крови указывает на гипероксию и гипоксемию, соответственно. Напряжение кислорода в артериальной крови - индикатор поглощения кислорода в легких.
Как показали исследования, парциальное давление кислорода рО2 до восхождения в горы (высота 680 м) составило 79,0±3,4 mmHg, в условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель снизился на 17,4 % и составил 65,2±2,9 mmHg (р < 0,001). После восхождения в горы (высота 680 м) парциальное давление кислорода рО2 составило 79,7±2,9 mmHg и статистически не отличалось от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (р > 0,05).
sO2 - насыщение (сатурация) кислородом - процентное содержание оксигемоглобина в гемоглобине, способном переносить кислород. Величина sO2 позволяет оценить уровень оксигенации гемоглобина, или диссоциации оксигемоглобина. Нормальное значение sO2 указывает на достаточное использование реальной способности к транспорту кислорода, низкое sO2 является причиной нарушения поглощения кислорода.
Как показали исследования, сатурация кислородом sO2 до восхождения в горы (высота 680 м) составила 95±0,6 %, в условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель снизился на 3,3 % и составил 91,9±0,8 % (р < 0,01). После восхождения в горы (высота 680 м) сатурация кислородом составила 95,7±0,05 % и статистически не отличалась от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (p > 0,05).
Гемоглобин (Hg) - основной компонент эритроцитов - представляет собой сложный белок, состоящий из гемма и белка глобина. Главная функция гемоглобина состоит в переносе кислорода от легких к тканям, а также в выведении углекислого газа из организма и регуляции кислотно-основного состояния.
Как показали исследования, концентрация гемоглобина до восхождения в горы (высота 680 м) составила 112,6±1,2 %. В условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель увеличился на 17 % и составил 135,7±2,2 % (р < 0,001). После восхождения в горы (высота 680 м) концентрация гемоглобина составила 141,0±1,7 и статистически отличалась на 20,5 % от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (р > 0,001).
В горах человек подвергается воздействию комплекса факторов. По мере поднятия на высоту атмосферное давление, температура воздуха и влажность убывают, космическая, световая, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация возрастают. Однако определяющим для человеческого организма фактором является пониженное парциальное давление кислорода (рО2), обусловленное падением атмосферного давления. Высотный порог, вызывающий соответствующие сдвиги в организме человека, варьирует в зависимости от климато-метеорологических условий разных горных систем. Кроме того, он зависит от индивидуальных особенностей, пола и возраста людей, их физического
и психического состояния, уровня тренированности, наличия «высотного опыта».
Гипоксия, т. е. кислородная недостаточность, - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления. Пусковой механизм развития гипоксии связан с гипок-семией - снижением содержания кислорода в артериальной крови.
Здоровый организм может оказаться в состоянии гипоксии, если потребность в кислороде (кислородный запрос) выше, чем возможность ее удовлетворить. Наиболее распространенной причиной возникновения такого состояния является низкое содержание кислорода во вдыхаемом воздухе в условиях высокогорья. Кислород необходим для процессов окислительного фосфорилирования, т. е. для синтеза АТФ, и его дефицит нарушает протекание всех процессов в организме, зависящих от энергии АТФ: работу мембранных насосов, транспортирующих ионы против градиента, синтез медиаторов и высокомолекулярных соединений - ферментов, рецепторов для гормонов и медиаторов. Если это происходит в клетках центральной нервной системы, нормальное протекание процессов возбуждения и передачи нервного импульса становится невозможным и начинаются сбои в нервной регуляции функций организма. Нехватка кислорода стимулирует использование организмом дополнительных, анаэробных источников энергии - расщепления гликогена до молочной кислоты. Выход энергии АТФ при этом мал. Кроме того, возникают неприятности в виде закисления внутренней среды организма молочной кислотой и другими недо-окисленными метаболитами. Сдвиг pH еще более ухудшает условия деятельности высокомолекулярных структур, способных функционировать в узком диапазоне pH и быстро теряющих активность при увеличении концентрации Б+-ионов.
При длительном воздействии высотной гипоксии происходит перестройка деятельности основных регуляторных систем. На первом этапе гипоксического воздействия происходит неспецифическая стрессорная активация симпатического отдела нервной системы, комплекса гипоталамус-гипофиз-надпочечники (ГГН) и щитовидной железы (ЩЖ), которые играют основную роль в мобилизации транспортных систем, усиливают расщепление жиров, углеводов и другие метаболические процессы. В процессе долговременных ги-поксических воздействий активируется синтез РНК и белка в различных отделах нервной системы, и в частности в дыхательном центре, что усиливает его регуляторные возможности и обеспечивает возможность усиления дыхания при низких концентрациях СО2 в крови. Улучшается координация дыхания и кровообращения. Возрастает мощность гормональных звеньев и их экономичность. С одной стороны, увеличивается мощность системы синтеза гормонов и медиаторов, в частности адреналина и норадреналина, что позволяет быстро мобилизовать стресс-реакции при различных ситуациях. С другой стороны, увеличение числа рецепторов к гормонам и медиаторам повышает чувствительность к ним тканей и органов и тем самым снижает их расход. Активируются стресслимитирующие системы, увеличивается секреция в ЦНС веществ, являющихся антагонистами адреналина и норадреналина и ослаб-
ляющих их эффекты (эндорфины, энкефалины, §-аминомасляная кислота). Отмечается также ослабление функции щитовидной железы, т. е. избыточная стимуляция ответных реакций организма гасится. Это приводит к тому, что уровень основного обмена в процессе адаптации может снижаться по сравнению с организмами, обитающими на уровне моря. Уменьшение потребности в кислороде вызывает снижение нагрузки на систему дыхания и кровообращения и уменьшение чувствительности к кислородной недостаточности.
Компенсаторной реакцией организма на кислородную недостаточность является увеличение уровня гемоглобина в крови.
Падение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе вызывает весьма существенные изменения дыхательной функции крови, отличительной особенностью которой в этих условиях является пониженное напряжение кислорода в плазме и неполное насыщение кислородом гемоглобина артериальной крови. Кислородные резервы сокращаются, о чем свидетельствует уменьшение содержания О2 как в артериальной, так и в венозной крови.
Дальнейшее понижение кислорода в крови вызывает мобилизацию организмом зрелых эритроцитов, депонированных в селезенке, печени, коже, других органах, и переход их в общий кровоток. При этом количество эритроцитов увеличивается на 15 %, соответственно возрастает и вязкость крови.
Переход кислорода из плазмы крови тканевых капилляров в ткани сопровождается диссоциацией окси-гемоглобина, благодаря чему напряжение О2 в плазме крови не снижается так быстро, как это могло быть, если бы запасной кислород в виде химической связи с гемоглобином отсутствовал. Отсюда понятно, что чем больше в крови гемоглобина, тем богаче она кислородом, т. к. при этом увеличивается кислородная емкость крови, тем менее интенсивно при прочих условиях будет происходить падение напряжения кислорода по ходу тканевых капилляров, тем большим будет диффузное давление кислорода, и большее количество его сможет продиффундировать в ткани. Приспособительный, компенсаторный характер этой реакции очевиден. Следует, однако, отметить, что резкое увеличение числа эритроцитов и резкое повышение гемоглобина имеет помимо положительного, компенсаторного еще и отрицательное значение, т. к. при этом увеличивается вязкость крови, создающая повышенную нагрузку на мышцу сердца.
Таким образом, процессы, направленные на увеличение обеспечения организма энергией (оптимизация транспорта кислорода и глюкозы, усиление возможностей системы гликолиза и окислительного фосфорили-рования), развиваются одновременно с понижением потребности в энергии и устойчивости к пониженному содержанию кислорода. Адаптация к высокогорной гипоксии демонстрирует высшую степень интеграции процессов, протекающих на молекулярном и клеточном уровнях в рамках целостного организма высших животных и человека.
ВЫВОДЫ
1. Парциальное давление кислорода рО2 до восхождения в горы (высота 680 м) составило 79,0± 3,4 mmHg, в условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель снизился на 17,4 % и составил 65,2± 2,9 mmHg (р < 0,001). После восхождения в горы (высота 680 м) парциальное давление кислорода рО2 составило 79,7±2,9 mmHg и статистически не отличалось от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (р > 0,05).
2. Сатурация кислородом sO2 до восхождения в горы (высота 680 м) составила 95±0,6 %, в условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель снизился на 3,3 % и составил 91,9±0,8 % (р < 0,01). После восхождения в горы (высота 680 м) сатурация кислородом составила 95,7±0,05 % и статистически не отличалась от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (р > 0,05).
3. Концентрация гемоглобина до восхождения в горы (высота 680 м) составила 112,6±1,2 %. В условиях высокогорья (высота 3200 м) этот показатель увеличился на 17 % и составил 135,7±2,2 % (р < 0,001). После восхождения в горы (высота 680 м) концентрация гемоглобина составила 141,0±1,7 и статистически отличалась на 20,5 % от показателей, полученных у испытуемых до восхождения в горы (р > 0,001).
ЛИТЕРАТУРА
1. Агаджанян Н.А. Адаптация к экстремальным условиям и экопортрет человека // Адаптация человека к различным климатогеографическим и производственным условиям. Новосибирск, 1981. С. 27-29.
2. Агаджанян Н.А., Торшин В.И. Экология человека: избранные лекции. М., 1994. 256 с.
3. Баевский Р.М. Проблема прогнозирования состояния здоровья организма в процессе его адаптации к различным воздействиям // Нервные и эндокринные механизмы стресса. Кишинев: Штиица, 1980. С. 30-61.
4. Айан А.М., Хеннеси А.Д., Джапп А.Д. Анализ газов артериальной крови понятным языком. М.: Практическая медицина, 2009. 140 с.
5. Дементьева И.И. Исследование кислотно-основного равновесия // Клиническая лабораторная аналитика / под ред. В.В. Меньшикова. 2000. Т. 3. С. 349-361.
6.
Поступила в редакцию 16 июля 2012 г.
Arabova Z.U., Shukurov F.A., Ма^Иеуа E.V., Gulin A.V. FEATURES OF GAS EXCHANGE CHANGES IN HIGH ALTITUDE
In the mountains, people are exposed to a complex of factors. The air temperature and humidity decrease and the space, light, ultraviolet and infrared radiation increase as you raise the height of the atmospheric pressure. However, the determining factor for the human body is a low partial pressure of oxygen (pO2) due to the decrease in atmospheric pressure. High-altitude threshold, causing corresponding changes in the human body varies depending on climatic and meteorological conditions of different mountain systems. In addition, it depends on individual characteristics, age and sex of people, their physical and mental condition, fitness level, and the presence of “high-altitude experience”. We have investigated the state of oxygen deficiency, which occurs in humans in the mountains, called hypoxic hypoxia.
Key words: hypoxic hypoxia; oxygen partial pressure; atmospheric pressure.
