Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

физиологическое действие высоких парциальных давлений аргона на организм человека и животных

14.00.32 - Авиационная, космическая и морская медицина

03.00.13 - Физиология

Павлов Николай Борисович

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской Академии Наук

Научный руководитель доктор медицинских наук,

профессор

Буравкова Людмила Борисовна

Официальные оппоненты доктор медицинских наук

профессор

Кобрин Владимир Исаакович

доктор медицинских наук

профессор

Ильин Вячеслав Константинович

Ведущее учреждение: Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт промышленной и морской медицины Федерального медико-биологического агентства (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится «__________»_____________2006 г. в____________часов на заседании совета (Д 002.111.01) Государственного научного центра РФ - Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук по адресу:

123007, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76-А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан «_________»________________2006 г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

д.б.н. М.А. Левинских

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В настоящее время различные отрасли народного хозяйства и военно-промышленного комплекса широко используют обитаемые герметически замкнутые объекты различного назначения с искусственными газовыми средами. К ним следует отнести водолазные барокамеры, лечебные и реанимационные барокамеры, космические корабли, обитаемые подводные аппараты, подводные лодки, командные пункты войск стратегического назначения и так далее. Применение на данных объектах большого количества горючих материалов в сочетании с обогащенной кислородом искусственной газовой средой при различных давлениях делают такие объекты чрезвычайно пожароопасными [Льюис Б., Эльбе Г., 1968]. По этой причине с целью предупреждения пожаров и борьбы с ними в руководящих документах ВМФ «Правила водолазной службы ВМФ» (2002 г.) и «Наставлении по борьбе за живучесть подводной лодки» (1971 г.) содержание кислорода в газовой среде герметичных помещений (барокамеры, отсеки подводных лодок) допускается не более 25 %. В документах, определяющих правила проведения гипербарической оксигенации, с целью исключения случаев пожара верхний предел содержания кислорода в многоместных лечебных барокамерах ограничен 23 % [Соколов Г.М., Меркулов В.А., 1990, Черкашин Н.А, 1991].

Несмотря на эти ограничения, совершенствование техники, включающее использование негорючих материалов, мероприятия, направленные на минимизацию вероятности эпизодов возникновения искр и открытого пламени и существующие для борьбы с пожарами в герметичных отсеках системы противопожарной защиты, пожары возникают. [Юрнев А.П., Сахаров Б.Д., Сытин А.В., 1968, Смирнов Н.В., 1990]. Необходимость максимально увеличить вероятность выживания людей, находящихся в очаге пожара обусловила появление комплексной программы Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны (ВНИИПО) МВД (1990 г.) по созданию средств пожаротушения на основе инертных газов вместо углекислого газа, применявшегося ранее, что позволит исключить отравляющее действие на человека самого средства пожаротушения, не исключая, правда, воздействия гипоксии и продуктов горения. В силу своих физических свойств (тяжелее воздуха) и исходя из экономических интересов (наиболее дешевый инертный газ), в наилучшей степени для поставленной задачи подошел аргон. Кроме того, перспективным направлением является разработка газовой среды, пригодной для активной жизнедеятельности человека и в то же время не поддерживающей горение, что позволяет предотвратить возникновение пожаров, но связано с уменьшением в нормобарической газовой среде содержания кислорода до 14-16% [Павлов Б.Н. и соавт, 1997]. При указанном содержании кислорода в среде обитания у человека может возникнуть кислородное голодание, а потому газовая среда с таким составом при нормальном барометрическом давлении является опасной для жизнедеятельности и работоспособности персонала гермообъектов. Для уменьшения опасности гипоксического воздействия при создании пожаробезопасных газовых сред обитания могут быть применены два не взаимоисключающих подхода: повышение барометрического давления среды («подпор») и введение в состав газовой среды физиологически-активного антигипоксического компонента. Последнее было бы полезно в любой аварийной ситуации, возникающей в обитаемом гермообъекте и требующей экономии или дополнительных затрат кислорода. Все это явилось основанием для изучения биологических свойств аргона в нормобарии и мягкой гипербарии (при тех его парциальных давлениях, когда наркотический эффект еще не развивается). Кроме того, получение физиолого-гигиенической характеристики аргона может быть полезным при подготовке межпланетных экспедиций [Павлов Б.Н., Буравкова Л.Б., 2001] к планетам, атмосфера которых содержит аргон. Селективная сорбция из атмосферы и компрессия индифферентных газов позволяет получить газовую смесь, которую можно использовать для разбавления кислорода при создании искусственной газовой среды в обитаемых гермообъектах.

Эксперименты по изучению физиологических свойств газовых сред на основе аргона показали антигипоксический эффект этого газа [Беляев А.Г, 2000; Вдовин А.В., Ноздрачева Л.В., Павлов Б.Н., 1998; Солдатов П.Э и др., 1998; Soldatov P.E., D'iachenko A.I., Pavlov B.N., Fedotov A.P, 1998], что в настоящее время обуславливает интерес к аргону как со стороны фундаментальной так и прикладной науки. Тем не менее, вопрос о безопасности пребывания человека в условиях кислородно-аргоновых сред остается открытым. Кроме того, не существует данных не только о механизме, но и сколько-нибудь определенных закономерностях развития антигипоксического эффекта аргона.

Целью настоящей работы является выявление реакций живых организмов различного уровня организации на высокие (100-800 мм.рт.ст.) парциальные давления аргона в среде обитания, оценка безопасности пребывания человека в кислородно-азотно-аргоновых искусственных газовых средах.

Задачи работы

1. Создать экспериментальные установки для эмбриологических исследований в условиях искусственных сред обитания, исследовать особенности эмбриогенеза и личиночного развития у низших позвоночных, проанализировать реакции пигментной системы шпорцевых лягушек в условиях кислородно-аргоновых газовых сред с нормальным и сниженным содержанием кислорода.

2. Изучить влияние гипоксических газовых сред с высоким содержанием аргона на газообмен у крыс.

3. Исследовать газообмен, работоспособность и психофизиологические показатели человека при длительном пребывании в кислородно-азотно-аргоновой среде с нормальным парциальным давлением кислорода.

4. Оценить действие аргона на работоспособность человека при длительном пребывании в условиях гипоксии.

Научная новизна

Созданы оригинальные экспериментальные установки для проведения эмбриологических исследований на низших позвоночных в кислородно-аргоновых средах. Показано, что в нормоксических условиях аргон не влияет на эмбриогенез и изучаемые физиологические реакции низших позвоночных. В гипоксических условиях получен эффект усугубления аргоном гипоксической депрессии эмбриогенеза шпорцевой и травяной лягушки, выявлены изменения темновой реакции меланофоров под действием аргона.

Впервые проведены полные исследования газообмена у крыс в кислородно-азотно-аргоновых гипоксических газовых средах с использованием вентилируемой камеры и оригинального ультразвукового датчика потока. Под действием аргона показано более высокое потребление кислорода крысами в гипоксических условиях.

Впервые проведен эксперимент с длительным пребыванием человека в кислородно-азотно-аргоновой среде, в ходе которого выявлено отсутствие достоверного влияния аргона на исследуемые психофизиологические показатели и работоспособность человека.

Впервые проведено исследование по сравнению физической работоспособности при длительном пребывании человека в гипоксической кислородно-азотной и гипоксической кислородно-азотно-аргоновой среде, в котором выявлена более высокая работоспособность испытуемых в присутствии аргона.

Практическая значимость и реализация результатов работы

С использованием результатов работы сформулированы рекомендации для практического применения аргона в качестве компонента дыхательной газовой смеси/среды, выпущены технические условия:

1. Потапов В.Н., Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Жданов В.Н., Павлов Н. Б., Коробов А.В., Миловидов Е.Э. Технические условия Medical gas argon/ Аргон газообразный медицинский №2114-010-39791733-2003 ОКП 2114 80. 2003. 11 с.

2. Потапов В.Н., Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Жданов В.Н., Павлов Н. Б., Коробов А.В., Миловидов Е.Э. Технические условия Medical respiratory gas mixture «TRINGALIT»/ Лечебная дыхательная газовая смесь «ТРИНГАЛИТ» №2114-013-39791733-2003 ОКП 2114 99. 2003. 11 с.

3. Потапов В.Н., Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Жданов В.Н., Павлов Н. Б., Коробов А.В., Миловидов Е.Э. Технические условия Medical respiratory gas mixture «ARGOX»/ Лечебная дыхательная газовая смесь «АРГОКС» №2114-023-39791733-2004 ОКП 2114 80. 2004. 11 с.

Основные положения диссертации обсуждены

На заседании Проблемной комиссии «Проблемы адаптации человека к условиям Мирового океана» в 2003 году, заседании кафедры морской медицины и профессиональных заболеваний Одесского государственного медицинского университета в 2002 году, на Всеукраинском семинаре «Ответственность судовладельцев за состояние здоровья и жизнь плавсостава в соответствии с международными требованиями» в 2002 году (Одесса), международной конференции «Астроэко» (Терскол, 2002), XII международной конференции по авиакосмической и морской медицине (Москва 2002), II и Ш международных конференциях «Достижения Космической Медицины в Практику Здравоохранения и Промышленность» (Берлин, 2003, 2005), конференциях молодых ученых «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2001), I и III конференциях молодых ученых, посвященных Дню космонавтики, заседаниях ученых советов ГНЦ РФ-ИМБП РАН, КБ 119, семинарах кафедры эмбриологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Диссертация апробирована на межотдельческой научной конференции, состоявшейся в рамках заседания секции ученого совета ГНЦ РФ-ИМБП РАН «гипербарическая физиология и экологическая медицина» (протокол №1 от 14 июля 2006 г.). По теме диссертации опубликовано 20 работ.

Положения, выносимые на защиту

1) Аргон, не являясь биологически индифферентным газом, в нормобарических гипоксических условиях оказывает влияние на развитие и газообмен позвоночных. Повышение его парциального давления в условиях нормобарической гипоксической гипоксии вызывает эффект большего потребления кислорода у крыс и угнетение развития травяной лягушки и костистой рыбы вьюна.

2) Инкубация в нормоксической нормобарической кислородно-аргоновой среде не влияет на эмбриогенез и личиночное развитие низших позвоночных.

3) В нормоксических условиях повышение парциального давления аргона в газовой среде до 380 мм.рт.ст. не ухудшает работоспособность и психофизиологические показатели человека, в гипоксических условиях аргон способствует увеличению работоспособности.

Материалы и методы исследования

Работа выполнялась с использованием комплексных стендов и установок Института.

1) Специально изготовленные установки для инкубации низших позвоночных в искусственных газовых средах с аппаратурой газового контроля (Beckmen О2 ОМ-14 и СО2 LB-2) и возможностью термостатирования (термостат Ц-1241МУ).

2) Установка для исследования газообмена у крыс в нормобарических условиях, включающая гермокамеру с животным, ультразвуковой датчик потока, прецизионный ротаметр (VEB Medingen S 0216), газоанализаторы (Beckmen О2 ОМ-14 и СО2 LB-2), ЭВМ с программой обработки сигналов.

3) Береговой водолазный комплекс ГВК-250 с аппаратурой для исследования газообмена и физической работоспособности человека.

Применяемые методики, количество исследований и состав экспериментальных групп

1) Методика определения стадий эмбрионального и предличиночного развития по таблице нормального развития вьюна (Misgurnus fossilis) (Костомарова, 1975), таблицам нормального развития травяной лягушки (Rana temporaria), составленных Н.В. Дабагян и Л.А. Слепцовой (Л. В. Белоусов, 1990), таблицам нормального развития шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) Ньюкопа и Фабера (Nieuwkoop, Faber, 1956). Методика определения меланофорных индексов. При этом биообъекты инкубировались в газовых средах следующего состава:

Контрольные группы	Опытные группы
N2 - 79%, O2 - 21%	Ar - 79%, O2 - 21%
N2 - 90%, O2 - 10%	Ar - 90%, O2 - 10%
N2 - 92,6%, O2 - 7,4%	Ar - 92,6%, O2 - 7,4%
N2 - 95%, O2 - 5%	Ar - 95%, O2 - 5%
N2 - 95,5%, O2 - 4,5%	Ar - 95,5%, O2 - 4,5%
N2 - 96,6%, O2 - 3,4%	Ar - 9,.6%, O2 - 3,4%.

Кроме того, в каждом эксперименте присутствовала контрольная группа, инкубационная кювета для которой продувалась атмосферным воздухом.

Проведено 6 серий эмбриологических экспериментов по 4 экспериментальной группы в каждой серии, по 50-100 биообъектов в каждой экспериментальной группе.

2) Методика определения газообмена у крыс в условиях искусственных газовых сред. При этом проводились периодические калибровки и настройки исследовательской аппаратуры (датчик потока и газоанализатор) с учетом смены газа-разбавителя кислорода в газовой среде. Расчет параметров газообмена проводился по формулам:

RQ= VO2/VCO2 ,

где VO2 - потребление кислорода

VCO2 - выделение углекислого газа

FI O2, CO2 - концентрации кислорода и углекислого газа во вдыхаемой смеси

FE O2, CO2 - концентрации кислорода и углекислого газа в выдыхаемой смеси

V - скорость потока газовой смеси через камеру с животным

RQ - дыхательный коэффициент

В исследовании применялись следующие газовые смеси:

Газ в смеси	Серия I	Серия II
O2	7,5%	7,5%
N2	92,5%	67,5%
Ar	0%	25%

Схема эксперимента была следующей: животное помещали в герметичную камеру объемом 1,3 л и сразу включали прокачку комнатного воздуха со скоростью 25 л/час. После 15 минут прокачки воздухом переключали на подачу гипоксической газовой смеси со скорость 3 л/мин в течение 2 мин. Затем крыса находилась в течение 15 мин в этой среде при скорости прокачки 25 л/час. Затем следовала продувка 3 мин гипоксической смесью со скоростью 3 л/мин. Ежедневно измерялось атмосферное давление, температура окружающей среды и влажность воздуха в лаборатории. Полученные данные обрабатывались с помощью программ Origin и Microsoft Exel. Для каждого исследования были получены калибровочные уравнения по скорости потока, концентрациям O2 и CO2. Экспериментальные данные подставлялись в калибровочные уравнения. Полученные значения использовали для расчета потребления кислорода, выделения СО2 и дыхательного коэффициента.

Исследования газообмена проведены в двух сериях экспериментов. Каждую экспериментальную группу составили 10 крыс серии Wistar.

3) Методика изучения психофизиологического состояния и работоспособности человека в условиях длительного (18 суток) пребывания в кислородно-азотно-аргоновой среде (О2 = 14 1%, N2 = 53 1%, Ar = 33 1%, СО2 < 0,33%, СО < 5 мг/м3, СН < 50 мг/м3, t = 20-22 С, = 50-80%), 3-х суточного пребывания в гипоксической кислородно-азотной среде (О2 = 100,5%, N2 = 901,0%, СО2 < 0,33%, СО < 5 мг/м3, СН < 50 мг/м3, t = 22-24 С, = 50-80%) и 3-х суточного пребывания в гипоксической кислородно-азотно-аргоновой (О2 = 100,5%, N2 = 401%, Ar = 501%, СО2 < 0,33%, СО < 5 мг/м3, СН < 50 мг/м3, t = 22-24 С, = 50-80%) среде барокомплекса ГВК-250 под давлением 0,5 атм. включающая в себя:

1) Методику определения умственной работоспособности и внимания (арифметический счет)

2) Методику исследования объема кратковременной памяти (запоминание рядов цифр)

3) Методику исследования произвольного внимания с помощью корректурной пробы (тест Бурдона с таблицей Анфимова)

4) Методику хронорефлексометрии (только в условиях нормоксии) с помощью хронорефлексометра, являющегося частью прибора авиационного врача ПАВ-1

Психофизиологические тесты проводились каждый день пребывания в условиях измененной среды, а также до начала спуска и после выхода из барокамеры и представляли собой классические физиологические тесты, применяемые в условиях ДП [Смолин В.В., Соколов Г.М., Павлов Б.Н., 1999].

5) Методику изучения физической работоспособности и газообмена.

Дыхательная система установки состояла из следующих элементов, находящихся внутри барокамеры: трубки забора воздуха из барокамеры; пневмотахометрического датчика, клапанной коробки, пробозаборника вдыхаемого газа; 5-литровой емкости для усреднения состава выдыхаемого газа; пробозаборника выдыхаемого газа из усредняющей емкости; велоэргометра. Вне барокамеры находились следующие приборы: газоанализаторы (Beckman OM11 и Beckman LB2) для измерения О2 и СО2 в выдыхаемом воздухе; газоанализатор (Beckman ОM14) для измерения О2 во вдыхаемом воздухе; дыхательный монитор для измерения объемной скорости потока. Формулы и методика расчета газообмена приведены выше.

Схема эксперимента была следующей: испытуемый удобно устраивался в кресле велоэргометра, подключался к дыхательной системе установки для изучения газообмена и выполнял две 5-минутные нагрузки на велоэргометре ВБ-3 с 3-минутным отдыхом между ними. Мощность 1-й нагрузки для всех испытуемых была равна 50 Вт (300 кгм/мин). Мощность 2-й нагрузки для всех испытуемых во всех исследованиях была равна 125 Вт (750 кгм/мин). Расчет общей физической работоспособности производился по формуле:

PWC170 = H1 + (H2 - H1) [(170 - П1)/(П2 - П1)],

где PWC170 - физическая работоспособность при ЧСС = 170 уд./мин;

Н1 и Н2 - мощности 1-й и 2-й в кгм/мин;

П1 и П2 - ЧСС в конце первой и второй нагрузки.

Скорость вращения педалей велоэргометра составляла 50-60 оборотов в минуту. Контроль за состоянием сердечно-сосудистой системы производился регистрацией ЭКГ и АД, которые измерялись непосредственно перед началом нагрузки, в конце 1-й и 2-й нагрузок, в конце 3-минутного отдыха, на 1-й, 3-й, 5-й и 10-й минутах восстановительного периода.

В гипоксических газовых средах проводились исследования работоспособности с использованием аналогичной установки и методики. С целью сравнения напряженности анаэробного метаболизма в гипоксических средах на на 0-й, 3-й, 8-й, 15-й, 20-й и 40-й минутах после прекращения физической нагрузки производили взятие крови из пальца для измерения содержания молочной кислоты.

Исследования длительного пребывания в нормоксической кислородно-азотно-аргоновой среде (18 суток) и гипоксических кислородно-азотной и кислородно-азотно-аргоновой средах (по 3 суток) проводили в условиях барокомплекса с участием в каждом эксперименте троих мужчин добровольцев-испытуемых в возрасте 20-28 лет (всего - 6 человек) на базе ГВК-250 ГНЦ РФ-ИМБП РАН в рамках экспериментов «Аргон-99» и «Аргон-2003». Программа и методика экспериментальных водолазных спусков в барокамере получила одобрение в комиссии Института по биомедицинской этике.

Результаты исследований и их обсуждение

1. Изучение раннего развития низших позвоночных в условиях кислородно-аргоновых газовых сред

Проведенные эмбриологические эксперименты выявили угнетение развития зародышей вьюна (Misgurnus fossilis) и травяной лягушки (Rana temporaria) во всех гипоксических средах с 5% содержанием кислорода (гКАрС). Причем при использовании аргона в качестве газа-разбавителя кислорода в гипоксических средах угнетение развития наблюдалось в большей степени, чем в кислородно-азотной гипоксической среде (гКАС). И, если у шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) этот эффект выразился лишь в статистически недостоверной тенденции (рис. 1.), то у травяной лягушки (рис. 3.) и вьюна (рис. 2.) инкубация в гКАрС вызывала статистически достоверно большее угнетение развития, чем инкубация в гКАС. А на стадии гаструляции и нейруляции присутствие аргона в 5% гипоксической газовой среде вызывало гибель зародышей, в то время как в гКАС зародыши, хоть и имели значительные аномалии и задержку развития, но оставались живыми (рис 2, 3 и 4).

Рис 1. Развитие зародышей шпорцевой лягушки в нормоксических (нКАС и нКАрС) и 5% гипоксических (гКАС5% и гКАрС5%) средах обитания.



Рис. 2. Динамика эмбрионального развития костистой рыбы вьюна в условиях измененного газового состава среды обитания (представительные данные по одной из серий зкспериментов), обозначения газовых сред те же, что и на рисунке 1.



Рис. 3. Динамика развития травяной лягушки в условиях измененного газового состава сред обитания (начало экспериментального воздействия - конец бластуляции), обозначения газовых сред те же, что и на рисунке 1 и 2.



Нормоксическая кислородно-азотная среда (нормальный вид зародышей)

Нормоксическая кислородно-аргоновая среда (нормальный вид зародышей)

5% гипоксическая кислородно-азотная среда (аномалии развития )

5% гипоксическая кислородно-аргоновая среда (100% гибель на стадии гаструлы)

Рис 4. Внешний вид, характерный для эмбрионов костистой рыбы вьюна, инкубированных в условиях измененного газового состава сред обитания (к окончанию II суток воздействия, начавшегося на стадии поздней бластулы).

Примечательно, что зародыши шпорцевой лягушки, в отличие от других видов, включенных в эксперимент, после первоначального угнетения развития в 5% гипоксических средах (2 сутки развития от стадии двух бластомеров), затем демонстрируют толерантность к гипоксической гипоксии (4 сутки), рис. 5.

Рис. 5. Средние величины, характеризующие стадии развития шпорцевой лягушки в 5% и 10% гипоксических газовых средах.

Это, по-видимому, свидетельствует о наличии у эмбрионов шпорцевой лягушки некоего механизма адаптации к гипоксической гипоксии, упоминания о котором в доступной нам литературе не встречаются.

Как известно, с возрастанием стадии развития у вьюнов и травяных лягушек прогрессивно увеличивается потребность в кислороде, что на практике выражается в увеличении потребления кислорода зародышами и, как следствие, в повышении чувствительности их организмов к гипоксической гипоксии [Озернюк Н.Д., 2000]. Эти данные согласуются с результатами наших исследований (рис. 6.).



Рис 6. Угнетение развития костистой рыбы вьюна в зависимости от длительности развития в гипоксических средах.

Параллельно с этим процессом усиливается перекисное окисление в организме зародышей [Владимирова И.Г., Злочевская М.Б., Озернюк Н.Д., 2000]. Антиоксидантная система исследуемых биообъектов является слабой и уязвимой. Вероятнее всего, угнетающий эффект аргона в проведенных экспериментах связан с его прооксидантными свойствами. Примечательно, что в нормоксической среде присутствие аргона не оказывает никакого влияния на динамику развития зародышей. Вероятно, торможение личиночного развития вьюна и травяной лягушки связано с сочетанным воздействием гипоксического и перекисного повреждения, причем последнее, согласно литературным данным [Дмитриев М.Т., Пшежецкий С.Я, 1959, 1960, Эльпинер И.Е., Сокольская А.В., 1958] может усиливаться в присутствии аргона. Шпорцевые лягушки оказались не чувствительны к этим воздействиям, а у птиц [Солдатов П.Э., 2006] добавление аргона в гипоксическую среду в некоторой степени нивелирует угнетающее действие гипоксии. Такая разнонаправленность эффектов может быть объяснена с точки зрения эволюционной физиологии. Животные с более мощной антиоксидантной системой и большей потребностью в кислороде в присутствии аргона легче переносят гипоксию. А организмы, неспособные противостоять образованию большого количества активных форм кислорода, всегда сопровождающему гипоксическое повреждение, в присутствии аргона испытывают угнетающее влияние. Выявленные феномены можно было бы связать с отсутствием в КААрС атмосферного азота, который рассматривается некоторыми авторами как нужный компонент среды обитания, влияющий на эмбриогенез. Однако проведенные нами аналогичные вышеописанным эксперименты в гипоксической кислородно-гелиевой среде [Павлов Н.Б, Ахматова Е.Н, 2003] показывают отсутствие подобного угнетающего влияния. Таким образом, полученные эффекты подтверждают тезис о биологической активности аргона и могут говорить о существовании нескольких точек приложения для этого воздействия и наличии, по меньшей мере, двух различных механизмов действия аргона на метаболические пути. Вероятно, эти механизмы нужно искать в системах кислородного обмена, на что указывает тот факт, что эффекты аргона явно проявились лишь в гипоксических условиях.

В результате проведенных экспериментов по исследованию особенностей физиологических реакций пигментной системы шпорцевых лягушек в кислородно-аргоновых средах, а также в условиях гипоксии, созданных увеличением в газовой среде объемной доли аргона или азота, было показано, что гипоксия, как таковая, ведет к более полной агрегации пигментных гранул, присутствие аргона в газовой среде нивелирует этот эффект. В нормоксических средах результат часовой агрегации меланофорных гранул во время световой депривации не зависел от присутствия или отсутствия в среде аргона (рис. 7.)

гКАС mi=1	КАС mi=5
гКАрС mi=5	КАрС mi=5

Рис. 7. Состояние меланофоров у животных экспериментальных групп после световой депривации в течении 1 часа (об. Ч2, ок. Ч14).

2. Изучение газообмена у крыс в условиях гипоксических газовых сред с высоким содержанием аргона.

Впервые эффект уменьшения гипоксической депрессии обмена кислорода под действием аргона был получен в работах, проведенных совместно с П.Э. Солдатовым на респираторном аппарате Шатерникова (таб. 1).

Таблица 1. - Показатели потребления кислорода и выделения углекислого газа самцами белых лабораторных крыс при нахождении в газовых средах различного состава

Состав газовой среды, % об.	Потребление О2, мл/мин
О2	N2	Ar
20	80	-	5,70,26
20	30	50	5,80,19
10	90	-	4,60,13
10	40	50	5,60,14
5	95	-	3,10,11
5	45	50	5,30,19

Учитывая необходимость более точного и полного изучения газообмена, включая оценку выделения CO2 и расчет дыхательного коэффициента, были проведены эксперименты по описанной в соответствующем разделе методике, в результате которых также отмечено увеличенное потребление кислорода в гипоксической кислородно-азотно-аргоновой газовой среде (25% КААрС). В присутствии 25% аргона выявлено статистически достоверное снижение разницы потребления кислорода при переходе молодых крыс линии Wistar от дыхания атмосферным воздухом к дыханию гипоксической газовой смесью (рис. 8,9).

Рис. 8. Потребление кислорода крысами экспериментальных групп в гипоксических и нормоксических условиях.



Рис. 9. Абсолютные значения потребления кислорода в гипоксических условиях и степень снижения потребления кислорода (разность VO2) при переходе от дыхания воздухом к дыханию гипоксическими газовыми смесями в экспериментальных группах.

Из литературных данных [Шулагин с соавт, 2004] нам известно, что увеличенная плотность 25% КААрС, влекущая за собой увеличение работы дыхательных мышц может приводить к незначительному (до 3%) увеличению потребления кислорода в этих условиях. Другим источником методических погрешностей может быть изначально увеличенное потребление кислорода в контрольной группе (в среднем на 13%), что мы относим как на счет увеличенной плотности газовой среды, так и особенностей метаболизма крыс в этой серии экспериментов. О втором говорит относительно низкий дыхательный коэффициент (0,73±0,04), полученный в этой экспериментальной группе, что может свидетельствовать о большем вкладе жиров в энергообеспечении организма, и, видимо, отражает сравнительно высокий уровень хронического стресса у животных в этой серии экспериментов (несмотря на методические приемы, направленные на адаптацию крыс к экспериментальным условиям). Однако в гипоксических условиях дыхательный коэффициент в контрольной группе животных значительно возрастает, приближаясь к значениям этого показателя у животных опытной группы (рис. 10.). Тенденция к увеличению дыхательного коэффициента при переходе от нормоксической к гипоксической газовой среде имеется и в опытной группе, что закономерно отражает реакцию мобилизации гликогена в условиях острого жесткого энергетического дефицита.

Рис. 10. Дыхательный коэффициент и его изменения в экспериментальных группах (средние величины).

Из литературных данных [Gautier, 1996] известно, что при изначально высоком потреблении кислорода феномен гипоксического гипометаболизма может быть несколько более выражен (1-2% на каждый дополнительный мл/кг/мин исходного VO2) [Gautier, 1996]. Полученная нами в эксперименте разница выраженности гипоксического снижения VO2 составляет 25%. Согласно выше сказанному, вклад посторонних факторов в эту величину может составлять 8-10%. По нашему мнению не менее 15% полученного эффекта можно связать с высоким содержанием аргона в газовой среде, что согласуется с результатами, полученными ранее [Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н., 2000, 2001]. Полученные результаты и анализ литературных данных позволяют говорить об особенностях действия аргона на метаболические процессы в организме крыс.

3. Изучение газообмена, работоспособности и психофизиологических показателей человека при длительном пребывании в кислородно-азотно-аргоновой среде с нормальным и сниженным парциальным давлением кислорода.

Результаты исследования кратковременной памяти, умственной работоспособности, концентрации, устойчивости и способности переключения внимания у испытуемых показывают, что измененная газовая среда с высоким содержанием аргона не оказала существенного влияния на эти функции (табл.2). На уровне тенденций удалось выявить изменения показателей к 5 дню длительного пребывания в измененной газовой среде, выражающиеся в основном в улучшении результатов, и затем выхода результатов на стабильный уровень, более близкий к фоновым эначениям. Эта тенденция, повторившаяся во всех трех исследованиях, по всей видимости, характеризует реакцию адаптации. В стеническую фазу (внимание, мобилизация, активность) уровень исследуемых показателей несколько улучшался, что соответствует литературным данным [Леман Г., 1967; Сапов И.А., Солодков А.С., 1970; Солодков А.С., 1978; Страхов А.П., 1976].

Результаты хронорефлексометрии, изучающей произвольную реакцию испытуемых на слуховые и зрительные раздражители, выявили изменения латентного периода указанных рефлекторных актов, выражающиеся в увеличении времени ответа на слуховые раздражители в период пребывания в барокамере (табл. 3). Произвольный ответ на зрительные раздражители нарушен не был (табл.3), что позволяет отнести указанные изменения за счет снижения слуха в атмосфере гипербарического гермообъема, вследствие проявления отека кожи наружного слухового прохода и барабанной перепонки, что является обычной реакцией в этих условиях, которая описана в руководствах по гипербарической физиологии [Смолин В.В., Соколов Г.М., Павлов Б.Н., 1999 и др.] и является одной из важных проблем водолазной медицины. Наибольшее количество ошибок (превышение лимита времени на ответ или задержка пальца на кнопке ответа более 3 секунд) было допущено при ответе на звуковой раздражитель 50 дБ. При использовании звукового раздражителя 90 дБ и светового раздражителя было допущено примерно одинаковое количество ошибок (табл. 3.). В условиях пребывания под повышенным давлением КААрС число ошибок увеличилось по сравнению с фоном, особенно на 5-й день ДП. Поскольку в последующие дни пребывания в измененной газовой среде число ошибок продолжало снижаться, приближаясь к фоновым значениям, эти изменения, вероятно, можно объяснить сменой фаз реакции адаптации к условиям замкнутого гермообъема.

дыхательный коэффициент аргоновый давление

Таблица 2. Данные исследований кратковременной памяти, произвольного внимания, умственной работоспособности в условиях длительного пребывания в кислородно-азотно-аргоновой среде с нормальным парциальным давлением кислорода (представлены средние показатели троих испытуемых).

Сутки эксперимента	Дни до компрессии	Дни в условиях повышенного давления	Дни после декомпрессии
Показатели кратковременной (непосредственной) памяти (количество цифр)	6,0	6,5	6,8	6,7	7,0	6,7	6,7	6,7	6,5
Число просмотренных букв за 1 с при корректурной пробе	3,49	3,95	3,67	4,12	4,22	4,37	4,08	4,57	4,1
Данные по количеству ошибок по отношению к числу просмотренных букв при корректурной пробе	0,45	0,24	0,32	0,36	0,36	0,26	0,53	0,37	0,6
Число арифметических действий за 1 с.	0,55	0,54	0,56	0,61	0,60	0,59	0,62	0,66	0,6

Таблица 3. Данные хронорефлексометрии в условиях длительного пребывания в кислородно-азотно-аргоновой среде с нормальным парциальным давлением кислорода (представлены средние показатели троих испытуемых).

Сутки эксперимента	Показатели латентного периода ответной реакции на звуковой раздражитель 50 дБ (в миллисекундах, M m)	Показатели латентного периода ответной реакции на звуковой раздражитель 90 дБ (в миллисекундах, M m)	Показатели латентного периода ответной реакции на световой раздражитель (в миллисекундах, M m)
Фон	193 3	161 4	192 3
1-й день ДП	-	155 3	204 3
3-й день ДП	194 4	163 4	196 3
5-й день ДП	199 6	168 3	201 3
10-й день ДП	195 4	178 3 *	196 3
15-й день ДП	236 4*	173 4	192 3
После ДП	196 5	157 4	201 4

Результаты исследования физической работоспособности и газообмена демонстрируют, что в первые пять дней пребывания в измененной газовой среде физическая работоспособность оставалась более высокой, чем в фоне. Далее работоспособность снизилась и примерно соответствовала фоновым значениям. После выхода из барокамеры работоспособность снова возросла до уровня, превышающего фоновый (рис. 11.).

Измерение потребления кислорода показывает, что после начала воздействия произошло уменьшение потребления кислорода при физическиой нагрузке (табл. 4).

Таблица 4. Потребление кислорода испытуемыми в конце 2-й нагрузки, л/мин

Испытатель	Фон	1-й день ДП	5-й день ДП
1-й	1,83	1,71	1,59
2-й	1,92	1,84	1,67
3-й	2,05	1,94	1,98

Рис. 11. Результаты исследования физической работоспособности с помощью теста PWC 170.

Столбиками представлены данные по трем испытуемых, кривая М с ромбовидными метками - средние величины для этих испытуемых. (По оси абсцисс - физическая работоспособность, кгм/мин; по оси ординат - день эксперимента)

В результате сравнения данных психофизиологических исследований и исследования работоспособности испытуемых в гипоксических кислородно-азотной и кислородно-азотно-аргоновой газовых средах, проводившихся на третий день пребывания в экспериментальных условиях, была выявлена тенденция к улучшению психофизиологических показателей в гКААрС по сравнению с гКАС (табл. 5.). Было показано увеличение работоспособности в гипоксической среде под действием аргона, что сопровождалось значительно меньшим, чем в гКАС содержанием молочной кислоты в смешанной капиллярной крови в первые минуты после окончания физической нагрузки (рис. 12, 13), что дает основания предполагать установление у человека более эффективного аэробного метаболизма в гипоксических условиях под влиянием аргона.

Таблица 5. Данные исследований кратковременной памяти, произвольного внимания и умственной работоспособности в условиях длительного пребывания в гипоксических кислородно-азотной и кислородно-азотно-аргоновой среде с нормальным парциальным давлением кислорода (представлены средние показатели троих испытуемых по трем суткам в каждом исследовании).

Этап эксперимента	Фон	гКАС	гКААрС
Показатели кратковременной (непосредственной) памяти (количество цифр)	7,0±1,4	6,19±0,93	6,46±1,12*
Число просмотренных букв за 1 с при корректурной пробе	3,85±0,18	3,78±0,26	3,88±0,16
Число арифметических действий за 1 с.	0,64±0,12	0,52±0,09	0,62±0,14*

Рис. 12 Результаты исследования физической работоспособности с помощью теста PWC 170 в условиях гипоксических газовых сред

Столбиками представлены данные по двум испытуемых, кривая М с ромбовидными метками - средние величины для этих испытуемых.

Рис. 13. Динамика концентрации молочной кислоты после выполнения физической нагрузки 600 кгм/мин продолжительностью 5 мин в гипоксической газовой среде, средние данные по двум испытуемым.

По оси абсцисс - время, прошедшее после окончания физнагрузки, «фон» - момент времени примерно за 1 мин до начала нагрузки; по оси ординат концентрация молочной кислоты в смешанной капиллярной крови.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют в пользу гипотезы об антигипоксическом действии аргона [Павлов Б.Н., 2001] и демонстрируют безопасность кислородно-азотно-аргоновой газовой среды с нормальным парциальным давлением кислорода для функциональной активности испытуемых при длительном пребывании. Большинство изменений, выявленных в экспериментах в условиях нормоксии, вероятнее всего, обусловлены адаптацией организма человека к условиям гипербарического гермообъема и не противоречат литературным данным по этому вопросу. Уменьшение потребления кислорода во время выполнения физической нагрузки в нормоксической КААрС, как и улучшение работоспособности в гипоксической КААрС является следствием физиологического действия аргона.

Выводы

1. В нормоксических нормобарических условиях замена азота воздуха на аргон не влияет на процессы раннего развития шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), травяной лягушки (Rana temporaria) и костистой рыбы вьюна (Misgurnus fossilis). В условиях гипоксической гипоксии аргон препятствует агрегации пигментных гранул в меланофорах личинок шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), усиливает гипоксическую депрессию развития травяной лягушки (Rana temporaria) и вьюна (Misgurnus fossilis), вплоть до гибели их зародышей в период интенсификации кислородного обмена на стадии ранней гаструлы.

2. Присутствие 25% аргона в гипоксической газовой среде приводит к менее выраженному снижению потребления O2 крысами, приближая газообмен к нормальным значениям.

3. В нормоксических условиях повышение парциального давления аргона в среде обитания до 380 мм.рт.ст. при длительном (до 18 суток) пребывании не приводит к достоверному изменению работоспособности и психофизиологических показателей испытуемых. В этих условиях аргон способствует сохранению нормального потребления кислорода человеком при физической нагрузке.

4. При длительном (до 3-х суток) пребывании человека в гипоксических условиях выявлена способность аргона поддерживать нормальные психофизиологические показатели и работоспособность испытуемых, что подтверждается более высокими показателями пробы PWC-170 и психофизиологических тестов, а также сниженным уровнем молочной кислоты в смешанной крови после выполнения физической нагрузки в кислородно-аргоновой среде, по сравнению с кислородно-азотной.

5. Наличие физиологических эффектов аргона зависит от парциального давления кислорода в среде обитания. В нормоксических нормобарических условиях в покое аргон не проявляет физиологической активности, в условиях гипоксии аргон может усиливать депрессию жизненных функций организмов, находящихся на начальных стадиях развития и не имеющих собственной системы кровообращения и мощной антиоксидантной защиты. У высокоорганизованных видов (крыса, человек), имеющих развитую кровеносную и антиоксидантную систему аргон проявляет антигипоксический эффект.

Практические рекомендации

1. Нормоксическую кислородно-азотно-аргоновую среду с парциальным давлением аргона до 380 мм.рт.ст. можно считать безопасной для длительного пребывания здоровых мужчин, что позволяет использовать ее для создания искусственной атмосферы в обитаемых гермообьектах.

2. Аргон, при парциальных давлениях от 114 до 720 мм.рт.ст. у теплокровных млекопитающих обладает антигипоксическим эффектом, что позволяет рекомендовать его для создания пожаробезопасной кислородно-аргоновой или кислородно-азотно-аргоновой газовой среды на короткое время при аварийных ситуациях, возникающих в гермообъектах.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Аргон - биологичеки активный компонент газовой среды // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2006, №6, с. 15-18

2. Влияние аргона в нормоксической и гипоксической газовых средах на меланофорную реакцию шпорцевой лягушки Xenopus laevis D. // Материалы V конференции молодых ученых и специалистов, посвященной Дню космонавтики. Москва, 2006. с. 29-30.

3. Влияние газовой среды, содержащей криптон, на эмбриональное развитие японского перепела // Материалы XIII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине. Москва, 2006. (соавт. Куссмауль А.Р., Гурьева Т.С., Дадашева О.А.)

4. Влияние гелия на развитие Xenopus laevis Doudin // Сборник научных работ «Актуальные проблемы биологии», Томск, 2004. Т.3, №1. с.162-163. (соавт. Богачева М.А., Куссмауль А.Р)

5. Гипербарическая физиология: достижения и перспективы развития // Научные труды I Съезда физиологов СНГ, Сочи. 2005. с.126. (соавт. Павлов Б.Н.)

6. Исследование влияния аргона в нормобарических нормоксических и гипоксических газовых смесях на морфогенез личинок шпорцевой лягушки (Xenopus Laevis D.) // Материалы XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 2002. с.260-261 (соавт. Супруненко Е.Н., Ахмпатова Е.А.)

7. Исследование особенностей газообмена у лабораторных животных в покое при дыхании нормобарическими газовыми смесями с высокими парциальными давлениями аргона // Материалы IV молодежной конференции, посвященной Дню космонавтики 2005. с.34-35.

8. Исследования физиологических эффектов дыхания подогретыми кислородно-гелиевыми смесями // Физиология человека, 2003, том 29, №5, с. 69-73 (соавт. Дьяченко А.И, Шулагин Ю.А., Буравкова Л.Б и др.)

9. Кислородно-азотно-аргоновая среда при длительном пребывании человека в барокамере при избыточном давлении // Морской медицинский журнал, 1999. №2. С.18-21. (соавт. Буравкова Л.Б., Смолин В.В., Соколов Г.М и др.)

10. Лечебные дыхательные газовые смеси // Материалы конференции «Фундаментальные науки - медицине», Москва, 2002. С.121-122. (соавт. Павлов Б.Н., Логунов А.Т.)

11. Новые лечебные дыхательные смеси // Материалы конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина», 14-15 ноября 2005 года. С.16-17. (соавт. Куссмауль А.Р., Павлов Б.Н., Жданов В.Н., Потапов В.Н.)

12. Опыт лечения последствий тяжелой формы декомпрессионной болезни // Материалы конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина», 14-15 ноября 2005 года. С.25. (соавт. Смолин В.В., Соколов Г.М., Ильинская Е.А.)

13. Особенности раннего развития костистой рыбы вьюна и травяной лягушки в нормоксических и гипоксических средах, содержащих аргон в качестве газа-разбавителя кислорода // Тезисы конференции молодых ученых и студентов, посвященной дню космонавтики. М., 2003. (соавт Ахматова Е.Н.)

14. Физиологические эффекты газовых смесей и сред, содержащих ксенон и криптон // Научно-практическая конференция «Ксенон и ксеноносберегающие технологии в медицине - 2005» Сборник докладов. Москва, 15-16 декабря 2005 г. с.20-28. (соавт. Павлов Б.Н., Куссмауль А.Р., Богачева М.А., Григорьев А.И.)

15. Цитогенетические эффекты аргона // Сборник научных работ «Актуальные проблемы биологии», Томск, 2004. Т.3, №1. с.30-32. (соавт. Куссмауль А.Р., Богачева М.А.)

16. Barophysiology, achievements and perspectives of development // Materials of VIII World Congress of international society for adaptive medicine (ISAM), Мoscow, 2006. p.86. (co-autors Baranov V.M., Pavlov B.N.)

17. Effect of breath-hold on cardio-respiratory system in divers and non-divers // Abstracts of VII international meeting on high pressure biology, Moscow, 2003. P.15-16. (co-autors Dyachenko A.I., Shulagin Yu.A., El Yu.Y)

18. Main trends of investigation of properties of gas mixtures and atmospheres containing helium, argon, xenon and krypton // Materials of VIII World Congress of (ISAM), Moscow, 2006. P.86-87. (co-autors Kussmaul A.R., Tugusheva M.P.)

19. Physiological activity of "heavy" indifferent gases. Argon as a component of a respiratory gaseous fluid, Materials of the 3rd European Congress “Achievements in space medicine into health care practice and industry” (Berlin, 2003), с 25-27 (co-autors Pavlov B.N., Logunov A.T.)

20. Rehabilitation by warmed oxihelium artificial gas mixtures, Materials of the 2rd European Congress “Achievements in space medicine into health care practice and industry” (march 27 - 28, 2003, Berlin-Adlershoff), с 25-27 (co-autors Grigoriev A.I., Pavlov B.N., Logunov A.T.)

Список условных обозначений

* - достоверные изменения (в таблицах)

КАС - нормоксическая кислородно-азотная среда

КАрС - нормоксическая кислородно-аргоновая среда

гКАС - гипоксическая кислородно-азотная среда

гКАрС - гипоксическая кислородно- аргоновая среда

mi - меланофорный индекс

КААрС - кислородно-азотно-аргоновая среда

ЧСС - частота сердечных сокращений

АД - артериальное давление

ДП - длительное погружение

VO2 - потребление кислорода

Размещено на Allbest.ru