CC BY
146
УДК: 612.225
ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМЫ СНИЖЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА В ЛЕГКИХ ЧЕЛОВЕКА НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ
Б.Т. Величковский
Российский государственный медицинский университет, Москва
Эл. почта: [email protected] Статья поступила в редакцию 12.10.09, принята к печати 2.12.09.
При длительном пребывании на Севере, особенно при работе на открытом воздухе, у человека развивается комплекс характерных адаптационных изменений органов дыхания. Клинически он проявляется нарастающей одышкой и повышенной утомляемостью. Функциональные изменения характеризуются, прежде всего, снижением коэффициента использования кислорода (КИО2). Адаптация к возникающей гипоксии заключается в увеличении площади альвеолярной поверхности легких в среднем на 24% и объема легочных капилляров на 39%, а также в повышении систолического давления в легочной артерии выше 30 мм рт.ст. Основной причиной изменений является сочетанное воздействие низкой температуры атмосферного воздуха и низкого абсолютного содержания в нем водяных паров (2 г/м3). Ни концентрация газов во вдыхаемом воздухе, ни растворимость их не нарушаются в условиях Севера, а площадь аэрогематического барьера даже возрастает. Следовательно, причина заключается в изменении проницаемости аэрогематического барьера. Движение воды, а также растворенных в ней газов - кислорода и диоксида углерода - через биологические мембраны осуществляется путем диффузии в направлении меньшей концентрации. В условиях высоких широт оно прямо противоположное. Вода из легочных капилляров просачивается на поверхность слизистой оболочки альвеол, а физически растворенный в ней кислород с поверхности альвеол перемещается в легочные капилляры. Встречная диффузия снижает скорость перемещения кислорода через биологические мембраны. Однонаправленная диффузия воды и диоксида углерода, наоборот, увеличивает гипокапнию. Мы полагаем, что в разнонаправленной диффузии воды и кислорода в альвеолярно-клеточной мембране и заключается скрытая молекулярная первопричина развития гипоксе-мии у человека на Крайнем Севере.
Ключевые слова: легкие, аэрогематический барьер, диффузия газов, Север, холодный сухой воздух.
CAUSES AND MECHANISMS OF DECREASED OXYGEN UTILIZATION COEFFICIENT IN HUMAN LUNGS IN THE EXTREME NORTH.
B.T. Velichkovsky
Russian Medical University, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
An extended stay and, especially outdoor works, in the North are associated with typical and complex adaptational changes in human respiration. According to clinical data, breath shortage and fatigability become increasingly more apparent. Among the functional changes, a decrease in oxygen utilization coefficient (UCO2) appears first. Adaptations to the resulting hypoxia include pulmonary alveolar area increase by 24% on average and pulmonary capillary bed increase by 39%, as well as systolic blood pressure increase to more than 30 mm Hg. The main cause of such changes is the combined influence of low ambient temperature and low water in the air (2 g/m3). Neither gas concentrations in the inspired air nor gas solubilities are compromised under Extreme North conditions, whereas the total area of aerohematic barrier even increases. Hence, the main cause is altered air-blood barrier permeability. Passage of water and water-dissolved gases (oxygen and carbon dioxide) occurs by their diffusion towards lesser concentrations. Under high latitude conditions, its direction is diametrically opposite. Water from lung capillaries enters onto the mucous membrane of lung alveoli, whereas water-dissolved oxygen moves from the alveolar surface into lung capillaries. This opposite diffusion reduces the overall rate of oxygen transfer across biological membranes. The unidirectional water and carbon dioxide diffusion, on the contrary, increase hypocapnia. We suggest that the differently directed oxygen and water diffusion through the alveolar membranes is the primary molecular cause of human hypoxia in the Extreme North.
Keywords: lungs, air-blood barrier, gas diffusion, North, cold dry air.
Большая продолжительность холодного периода года представляет собой характерную особенность климата значительной части территории нашей страны. На Кольском полуострове время напряженной холодо-вой терморегуляции составляет в среднем 152 дня, в центральных районах Западной и Восточной Сибири - 210-270 дней, на арктическом побережье Крайнего Севера - 345 дней [11].
При длительном пребывании на Севере у человека развивается комплекс характерных адаптационных изменений органов дыхания. Для практически здоровых жителей Заполярья, особенно работающих на открытом воздухе, характерно появление нарастающей одышки и повышенной утомляемости при осуществлении повседневной деятельности. Указанное состояние получило название «полярной одышки» [1]. Морфологические и функциональные изменения органов дыхания заключаются, прежде всего, в увеличении площади альвеолярной поверхности легких в среднем на 24% и объема легочных капилляров - на 39% [2, 12]. Характерной особенностью процесса адаптации к экстремальным условиям Крайнего Севера является повышение систолического давления в легочной артерии выше 30 мм рт.ст., которое выявляется у большинства обследованных здоровых жителей Заполярья [2]. Этому специфичному для высоких широт комплексу изменений были даны различные наименования: «синдром полярного напряжения» [10], «магаданская пневмо-патия» [12], «циркумполярный гипоксический синдром» [3], «экзогенная гипоксия Севера» [4]. Однако конкретные причины и, особенно, механизм развития выявленных изменений длительное время не удавалось определить. Были высказаны предположения, что, наряду с холодом, играют роль и другие факторы природной среды Крайнего Севера. Но подозрительный фактор был либо недостаточно постоянен и характерен для высоких широт (низкое парциальное давление кислорода в атмосфере, сильные ветры), либо не мог быть причиной изменений организма, специфичных для жителей Крайнего Севера (колебания активности геомагнитного поля Земли). Только в конце 80-х гг. был выявлен фактор природной среды, в такой же мере ха-
рактерный для высоких широт, как и холод. Этот фактор - низкое абсолютное содержание водяных паров в атмосфере [8, 9]. Известно, что при сильном морозе влага вымерзает. На этом основана сушка белья на холоде. Среднегодовое абсолютное содержание влаги в атмосферном воздухе приполярных областей ниже, чем в воздухе пустынь. В районах холодного климата низкая абсолютная влажность характерна не только для открытого пространства, но и для жилых, служебных и производственных помещений, то есть сухость воздуха является постоянным фактором среды обитания [16].
А.П. Авцын и др. [2] установили, что адаптация к экстремальным климатическим условиям Севера проходит в несколько этапов. В период начальной адаптации к холоду происходит наращивание функциональных резервов за счет дополнительного раскрытия альвеол в верхних и средних зонах легких. При длительном проживании на Севере, более 10-15 лет, увеличение площади газообмена и расширение «рабочей зоны» диффузии осуществляется уже, главным образом, за счет морфологических изменений: увеличения размеров альвеол, а также количества, диаметра и объема капилляров, выбухающих в просвет альвеол. У этой группы населения давление крови в малом кругу значительно превышает нормальную величину, частота легочной ги-пертензии достигает 80%. Вместе с тем, возможность дальнейшего повышения морфо-функциональных адаптационных резервов у них оказывается уже в значительной мере исчерпанной. Поэтому физические перегрузки, курение, простуда вызывают нарастание гипоксемии и усиление патологических изменений легочной ткани. Последние, в свою очередь, обуславливают частое возникновение и тяжелое течение острых и хронических заболеваний органов дыхания.
Изменение функции внешнего дыхания (ФВД) характерно как для коренного населения Севера, так и для переселенцев. Об этом, в частности, свидетельствуют данные Г.Е. Мироновой и др. [13]. Авторы обследовали проживающих в Республике Саха (Якутии) практически здоровых лиц двух основных этнических групп -якутов и русских (табл. 1).
Таблица 1.
Показатели функции внешнего дыхания у практически здоровых людей различных этнических групп, проживающих в Республике Саха (Якутии)
Показатели функции внешнего дыхания Якуты (п=197) Русские (п= 242)
Минутный объем дыхания (%) 144,6±5,0 142,8±4,8
Жизненная емкость легких (%) 90,8±1,6 96,3±1,4
Индекс Тиффно (%) 81,8±1,9 80,8±0,5
Максимальная вентиляция легких (%) 103,9±3,2 127,6±1,7
Резерв дыхания (%) 91,6±0,6 87,6±1,0
Пневмотахометрия (л/сек) Вдох Выдох 4,31±0,10 4,31±0,12 3,38±0,04 4,52±0,06
Коэффициент использования кислорода (мл/л) 29,5±1,3 28,9±1,2
П оказатели максимальной вентиляции легких, пнев -мотахометрии и резерва дыхания соответствовали верхним границам европейской нормы или несколько превышали ее. Индекс Тиффно в среднем соответствовал 81,8±1,9% и 80,8±0,5%, свидетельствуя об отсутствии нарушения бронхиальной проходимости или изменений эластичности легочной ткани. В старших возрастных группах как у мужчин, так и у женщин отмечалась тенденция к снижению этого показателя. Так, у мужчин в возрастной группе 40-49 лет индекс Тиффно соответствовал 77,4±1,7%, у женщин в возрасте 50-59 лет 76,0±4,1%, что, вероятно, связано с изменением эластичности соединительно-тканных структур легкого в пределах возрастных физиологических колебаний. Для оценки эффективности легочной вентиляции определялся коэффициент использования кислорода (КИО2), отражающий количество миллилитров кислорода, потребляемого организмом из каждого литра воздуха, поступающего в легкие. Как у якутов, так и у русских, проживающих на Севере, он оказался меньше 35, что свидетельствует о низкой эффективности газообмена [14]. В итоге, при отсутствии статистически достоверных различий показателей ФВД в двух сопоставимых по возрасту и полу этнических группах населения Республики Саха (Якутия), у практически здоровых лиц был выявлен низкий коэффициент использования кислорода и развитие компенсаторной гипервентиляции.
И.И. Диденко [8] наблюдал на Таймыре снижение коэффициента использования кислорода до 30,7±1,1 мл/л в условиях основного обмена и до 26,8±1,9 мл/л при работе на наружном воздухе. Одновременно имела место типичная гипервентиляция и гипокапния с парциальным давлением кислорода в альвеолах 110 мм рт. ст. и понижением парциального давления диоксида углерода до 30-34 мм рт. ст. Снижение значения КИО2 у жителей Севера отмечено и другими исследователями [4, 7]. Таким образом, низкая эффективность газообмена кислорода в органах дыхания может считаться ведущим звеном как функциональных, так и морфологических изменений органов дыхания людей в высоких широтах.
Для понимания механизма адаптационных изменений в легких важны результаты исследований, проведенных И.И. Диденко и Б.В. Устюшиным в ФНЦ Институт гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана [9, 17]. Они показали, что 8-часовое пребывание здоровых добровольцев в комфортных температурных условиях (+20 °С), но при сниженной абсолютной влажности воздуха до значений, характерных для регионов Крайнего Севера (2 г/м3), вызывает увеличение кровенаполнения легких и повышение сосудистого тонуса. В условиях проводимого эксперимента причина выявленных изменений могла заключаться только в потере влаги в альвеолах. Результаты исследований позволили авторам определить физиологически оптимальную и допустимую величину абсолютной влажности вдыхаемого воздуха: 9,6 г/м3 и 5,7 г/м3 соответственно. Каким образом сухой воздух ухудшает условия газообмена в легких, до последнего времени остается не выясненным.
В физиологических условиях защита органов дыхания от неблагоприятных воздействий осуществляется несколькими взаимосвязанными системами и механизмами [6]. На Крайнем Севере особое напряжение
испытывает система кондиционирования вдыхаемого воздуха. В кондиционировании температуры и влажности вдыхаемого холодного воздуха важная роль принадлежит верхним дыхательным путям. При носовом дыхании температура воздуха, поступающего в трахею, лишь на 1-2 °С ниже температуры тела, независимо от температуры атмосферного воздуха. Процесс согревания регулируется рефлекторно. Чувствительные окончания тройничного нерва раздражаются струей холодного воздуха. Импульс через продолговатый мозг переключается на парасимпатические центры и достигает носовых раковин. Кавернозные ткани носовых раковин расширяются и переполняются кровью. Через сузившийся просвет носовых проходов воздух движется тонкой струей, омывая теплую поверхность слизистой оболочки. Благодаря этому согревание вдыхаемого воздуха осуществляется весьма интенсивно. На холоде для сокращения потерь тепла в верхних дыхательных путях изменяется характер дыхания: возникает частое поверхностное дыхание, иногда с явлениями ларингоспазма.
Увлажнение вдыхаемого воздуха также в основном происходит в полости носа за счет насыщения его влагой, покрывающей слизистую оболочку. Достаточная влажность воздуха необходима для оптимального функционирования мерцательного эпителия трахеи и бронхов, а также дыхательной поверхности альвеол. Дегидратация слизистого слоя, покрывающего реснички, увеличивает вязкость секрета, что снижает активность мерцательного эпителия. В средней полосе России для увлажнения вдыхаемого воздуха за сутки со слизистой оболочки носа здорового человека испаряется порядка 500 мг воды. На Севере в условиях чрезмерно низкого содержания влаги в воздухе происходит повышение потерь влаги с поверхности как верхних дыхательных путей, так и легких. Суточные потери воды с выдыхаемым воздухом достигают 1500 мл. Теплопотери испарением с поверхности легких составляют 42 % всех тепло-потерь организма за счет испарения, вместо типичных для средней полосы 30% [18].
В нагревании и увлажнении вдыхаемого воздуха принимает участие и ротовая полость. Однако в отсутствие носового дыхания ротовая полость не может обеспечить его полноценное кондиционирование.
В связи с повышением потерь влаги через легкие и кожу у полярников происходит сокращение диуреза в среднем до 600 мл/сут., тогда как у жителей умеренной климатической зоны объем диуреза колеблется от 1200 до 1600 мл. Одновременно наблюдается увеличение во-допотребления, получившее название «жажда Севера» [18]. Количество жидкости, потребляемой участниками высокоширотных экспедиций, повышается до 2500 мл/ сут., что примерно в 1,5 раза больше, чем средний уровень водопотребления у населения, проживающего в зоне умеренного климата - 1800 мл/ сут. [7]. Повышенная потеря влаги через органы дыхания обуславливает большее выведение водорастворимых соединений. Так, для профилактики кариеса путем фторирования воды на Севере в ней требуются более высокие концентрации соединений фтора. Дефицит водорастворимого витамина С в организме связан не только с более низким его содержанием в пищевых продуктах, но и с ускоренным выведением его с влагой выдыхаемого воздуха.
Основная причина снижения в условиях Севера со-
держания кислорода в артериальной крови - гипоксе-мии - заключается в нарушении диффузии газов (О2 и СО2) через альвеолярно-капиллярную мембрану легких. На снижение гипоксемии направлены, в конечном счете, все компенсаторные механизмы системы дыхания. Согласно закону Фика, диффузионная способность легких прямо пропорциональна градиенту концентрации газов (О2 и СО2), площади аэрогемати-ческого барьера, коэффициенту растворимости газов в водной фазе альвеолярно-капиллярной мембраны и обратно пропорциональна толщине аэрогематическо-го барьера [16]. Ни концентрация газов, ни растворимость их не нарушаются в условиях Севера, а площадь аэрогематического барьера даже возрастает. Следовательно, причину надо искать в изменении проницаемости аэрогематического барьера. При практически не нарушенной структуре альвеолярно-капиллярной мембраны подобные изменения может вызвать ее физиологический отек, при котором проникающая в ин-терстиций вода бедна протеинами. В пользу такого предположения говорит тот факт, что функциональная способность в наибольшей мере понижена в нижних и базальных отделах легких, где в связи с влиянием силы тяжести интерстициальный физиологический отек более выражен. В норме легочная ткань содержит минимальное количество воды. Это обусловлено дренирующей функцией лимфатической системы легких и постоянством соотношения онкотического давления крови и сопротивления проницаемости легочных капилляров. Классическими причинами развития патологического интерстициального отека служат нарушения функции сердца, заболевания почек, гипопро-теинемия, вызванная циррозом печени. Но ни в одном из этих случаев не наблюдается таких больших потерь влаги с выдыхаемым воздухом, как на Севере. Поэтому при анализе развития интерстициального отека в легких человека в условиях высоких широт необходимо выяснить его специфичный молекулярный механизм.
Движение через клеточные мембраны воды, а также растворенных в ней газов - кислорода и диоксида углерода - осуществляется путем диффузии в направлении меньшей концентрации. Возможности регулирования этого по своей сути физического процесса у организма крайне ограничены. Вместе с тем, направление этих диффузионных потоков в альвеолярной области легких в условиях высоких широт прямо противоположное. Вода из легочных капилляров просачивается на поверхность слизистой оболочки альвеол, а физически растворенный в ней кислород с поверхности альвеол перемещается в легочные капилляры. Указанная встречная диффузия, в конечном счете, снижает скорость перемещения кислорода через клеточную мембрану. Тем самым понижается диффузионная способность альвеолярной поверхности по отношению к кислороду и уменьшается коэффициент использования кислорода (КИО2). Наоборот, однонаправленная диффузия воды и диоксида углерода усиливает гипо-капнию. Мы полагаем, что в разнонаправленной диффузии воды и кислорода в альвеолярно-клеточной мембране и заключается скрытая молекулярная первопричина характерного для Крайнего Севера ухудшения газообменной функции легких и развития гипоксемии и гипокапнии [5].
Следует отметить, что принципиально аналогичные адаптационные изменения в альвеолах развиваются не
только в условиях высоких широт. Они постоянно наблюдаются после резекции доли легкого при развитии компенсаторных процессов улучшения газообмена в оставшейся легочной ткани [15].
Но на Севере, по-видимому, возможен и дополнительный механизм затруднения газообмена, связанный с нарушением теплового гомеостаза в глубоких отделах легких. Испарение влаги с поверхности альвеол вызывает дополнительные потери тепла. На испарение 1 мл воды, как известно, требуется 2,4 кДж. Усиленного кровенаполнения существующей капиллярной сети альвеол может быть недостаточно для поддержания необходимого уровня как газообмена, так и температурного гомеостаза. Обе указанные причины обуславливают развитие однонаправленных адаптационных морфологических изменений в легких, заключающихся в образовании в альвеолярных стенках новых капилляров, увеличении их диаметра и общей объемной плотности на единицу площади альвеолярных перегородок.
В физиологии и клинике исследуется дыхание при повышенном и пониженном атмосферном давлении. Для нашей страны не менее актуальным является изучение дыхания при пониженной абсолютной влажности воздуха в условиях нормального атмосферного давления. Необходима оценка изменений функции внешнего дыхания у больных и здоровых лиц, проживающих на Крайнем Севере, с учетом как уровня гипоксемии, так и уровня гипокапнии, снижающей чувствительность дыхательного центра. Постоянный усиленный физиологичный интерстициальный отек со временем приводит к развитию фиброзных изменений и понижению функции в нижних и базальных отделах легких. Лица с подобными изменениями органов дыхания должны подлежать переводу с работы на наружном воздухе. Длительная гипоксемия, усиливающаяся в холодное время года, повышает уровень свободно-радикальных процессов [6]. Компенсационно возрастает утилизация антиоксидантов в организме, в частности, витаминов С и Е. Как показала Г.Е. Миронова с соавторами [11], в условиях Крайнего Севера оправдано проведение кратковременных двухнедельных курсов приема высоких доз пищевых антиоксидантов: аскорбиновой кислоты (по 25 мг на 1 кг массы тела) и а-токоферола (по 4 мг на 1 кг массы тела) совместно в два приема утром и вечером. Целесообразно проведение двух таких курсов в зимний период, особенно лицам, злоупотребляющим курением табака, представляющего собой высокий фактор риска в условиях Севера. Не менее велико на Севере отрицательное влияние и другой пагубной привычки - злоупотребления алкоголем. Легкие представляют собой самую большую мембрану нашего организма. Исходный липидный «строительный материал» для клеточных мембран синтезируется в печени. Ухудшение функционального состояния печени снижает синтез фосфолипидов, необходимых для построения клеточных мембран. Одновременно уменьшается образование и антиоксидантных ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов (мочевой кислоты и др.), необходимых для нейтрализации избытка свободных радикалов. Все это ведет к ослаблению устойчивости органов дыхания к внешним воздействиям. Именно по этой причине пневмония алкоголика на Крайнем Севере представляет собой смертельное заболевание.
В северных районах в жилых и производственных помещениях следует поддерживать оптимальным не толь-
ко температурный, но и влажностный режим воздуха, используя различные типы воздухоувлажнителей непрерывного действия. Одежда и средства индивидуальной защиты органов дыхания также должны предотвращать пагубное влияние не только холода, но и низкого
абсолютного содержания влаги в атмосферном воздухе, для чего эффективны пушистые шерстяные шарфы, меховые воротники с длинным ворсом и др. Перспективны респираторы с устройством для подогрева вдыхаемого воздуха.
Литература
1. Авцын А.П. Введение в географическую патологию. - М.: Медгиз, 1972.- 328 с.
2. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Марачев А.Г., Милованов А.П. Патология человека на Севере.- М.: Медицина, 1985.- 415 с.
3. Авцын А.П., Марачев А.Г., Матвеев А.Н. Циркумполярный гипоксический синдром // Вестник АМН СССР.- 1979.- № 6.- С. 32-39.
4. Бобров Н.И., Ломов О.П., Тихомиров В.П. Физиолого-гигиенические основы акклиматизации человека на Крайнем Севере.- Л.: Медицина. 1979.- 184 с.
5. Величковский Б.Т. Молекулярные механизмы нарушения газообменной функции легких на Крайнем Севере // Пульмоноло-гия.-2005.-№ 5. - С. 1-4.
6. Величковский Б.Т. Экологическая пульмонология (Роль свободно-радикальных процессов).- Екатеринбург: ЕМНЦ, 2003.- 141 с.
7. Деряпа Н.Р., Рябинин И.Ф. Адаптация человека в полярных районах Земли.- Л.: Медицина, 1977.- 218 с.
8. Диденко И.И. Изучение теплообмена человека на Крайнем Севере в различных микроклиматических производственных условиях / / Гигиена и санитария.- 1979.-№ 3.- С. 75-78.
9. Диденко И.И., Устюшин Б.В., Лыткин Б.Г. и др. Гигиена микроклимата и физиология теплообмена в процессе труда на Крайнем Севере.- М.: ВНИИМИ, 1983.- 64 с.
10. Казначеев В.П. Современные аспекты адаптации. -Новосибирск: Наука,1980.- 192 с.
11. Кандрор И.С. Очерки по физиологии и гигиене человека на Крайнем Севере. М.: Медицина, 1968.- 280 с.
12. Милованов А.П. Адаптация малого круга кровообращения человека в условиях Севера.- Новосибирск: Наука, 1981.- 172 с.
13. Миронова Г.Е., Васильев Е.П., Величковский Б.Т. Хронический обструктивный бронхит в условиях Крайнего Севера. (Значение антиоксидантного статуса и антиоксидантной терапии).- Красноярск: Сибирь, 2003.- 170 с.
14. Нефедов В.Б. Газообменные функции легких.// В кн.: Клеточная биология легких в норме и при патологии. -М.: Медицина, 2000.- С. 44 - 56.
15. РомановаЛ.К. Регенерация легких в эксперименте и клинике.- М.: Медицина, 1971.198 с.
16. Ткаченко Б.И. (ред.). Основы физиологии человека. Т. 3. Клинико-физиологические аспекты.- М.: Литера, 1998.- 474 с.
17. Устюшин Б.В. Физиолого-гигие-нические аспекты труда человека на открытых территориях Крайнего Севера. Автореф. докт. мед. наук.- М.: 1991.- 45 с.
18. Чащин В.П., Диденко И.И. Труд и здоровье человека на Севере. - Мурманск: НПО Гигиена и профпатология, 1990.- 104 с.
J
