Различные катастрофы, такие как землетрясения, обвалы, разрушения жилых домов могут привести к изоляции человека от атмосферы, и тогда для спасения очень важно знать время максимального выживания при данных условиях. Для обеспечения жизнедеятельности человека или животного в экстремальных условиях гермообъекта, прежде всего, требуется обеспечить поступление в газовую среду кислорода, или изучить время максимального пребывания в гермообъекте по количественным показателям концентрации кислорода [4] и углекислого газа. В атмосфере Земли [6] содержатся нейтральные газы – аргон, криптон, ксенон, которые, возможно влияют на жизнедеятельность человека, что мало изучено [6]. Применение различных газовых смесей для гипобиоза [5] и выживания человека при критических ситуациях является актуальной задачей современной физиологии и медицины. Актуальность изучения предельной концентрации углекислого газа в изолированных системах подтверждается, например, аварией на космическом корабле, летевшем к Луне «Аполлон-13» когда (на 85 часу полета) содержание углекислого газа в атмосфере лунной кабины достигло 13 %. Нейропротекторные и органопротективные свойства аргона [7, 8] были неоднократно продемонстрированы, но еще неопределенности возникают из-за неоднородности прикладных моделей, сроках и дозах аргона при применении [2]. Хотя показано, что аргон будет действовать как агонист ГАМК, чтобы побудить наркоз, как показано на гипербарических условиях, может ли это относится к нормобарическому состоянию как механизмы нейропротекции, еще предстоит доказать. Только ограниченные доказательства указывают на причастность сигнализации аргона [7] через ГАМК-рецепторы. Наркотические свойства ксенона изучены более значительно, ксенон применяется при проведении операций для наркоза [1, 2]. Свойства криптона изучены намного меньше, чем аргона и ксенона. Поэтому, мы в своих исследованиях комплексно изучили свойства аргона, криптона, ксенона на потребление кислорода и выделение углекислого газа, что говорило о степени гипобиоза.
Методы исследования. Опыты проведены на лабораторных животных крысах. Крыса помещалась в изолированную газонепроницаемую камеру 1850 мл, которая имела штуцеры входа газа и выхода. Камера заполнялась воздухом, 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 (рис.1). С датчиков кислорода и углекислого газа напряжение преобразования подавалось на 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вводилось и регистрировалось на компьютере при одновременной обработке данных программой. Частота записи измерения показаний была равна одной секунде. В каждой точке проводилось 100 измерений, определялись различные статистические показатели. С помощью программного обеспечения определялось количество потребленного кислорода и выделение углекислого газа в одну минуту на кг веса и другие параметры. Когда компьютер показывал, что потребление кислорода в течение 2-3 минут не возрастает, раздавался сигнал тревоги, в камеру закачивали воздух и опыт прекращался, что предотвращало гибель животного. В результате, мы полностью исключили потерю животных в опыте. Для исследования брали газовые смеси – воздух (азота 80%, кислорода 20%), кислородно-ксеноновую (кислорода 20%, ксенона 80%), кислородно-аргоновую смесь (кислорода 20%, аргона 80%), кислородно-криптоновую смесь (кислорода 20%, криптона 80%). Выдыхаемый углекислый газ поглощался. В опытах использовали крысы весом 270±20 г и 400±50 г, что позволило оценить влияние веса животного и биологического возраста на изучаемые параметры. Для изучения механизмов действия нейтральных газов применяли транквилизатор медазепам, который усиливает ГАМК торможение и вызывает гипобиоз, до нейтральных газов и после применения медазепама. После медазепама нейтральные газы не уменьшали потребление кислорода. Газовые смеси готовили по показаниям соответствующих датчиков газа.
Рис.1. Общая схема установки проведения опытов
Результаты исследования и их обсуждение. Потребление кислорода животными в замкнутом пространстве ведет к уменьшению его концентрации пропорционально времени пребывания в камере животного. Одновременно происходит выделение углекислого газа и повышение его концентрации. В наших опытах, представленных в данной работе, углекислый газ не поглощался. Поэтому, результаты опытов поглощения кислорода при возрастающей концентрации углекислого газа носят как фундаментальный характер изучения влияния разных концентраций газов на организм, так и являются важными при моделировании аварий с полной изоляцией человека.
Рис.2. Средние величины (n=15) поглощения кислорода и выделения углекислого газа у крыс (270±20 г) 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.2) 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.3) 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.
Рис.3. Поглощение кислорода и выделение углекислого газа у крыс (270±20 г) 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
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).
Таблица 1
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 в минутах |
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 |
Поглощение кислорода в криптоне (рис.4) – 12,8 мл/кг/мин ( 1-85 мин), 21.06 мл/кг/мин (начало 5-25 минут), 4,21 мл/кг/мин ( 60-85 мин), соотношение 21,06/ 4,21= 5.13 раза (крысы 270±20 г). В криптоне в 5 раз уменьшается потребление кислорода в конце опыта. В криптоне выживаемость больше, чем в аргоне и намного больше, чем в контрольной группе (воздух с азотом).
Рис. 4. Поглощение кислорода и выделение углекислого газа у крыс (270±20 г) в замкнутой камере в среде криптоне (криптон 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
Поглощение (ПК) в криптоне было минимальным 4,21 мл/кг/мин, это меньше чем в аргоне, где ПК=7 мл/кг/мин.
Рис.5. Поглощение кислорода крысой в замкнутой камере в воздухе (азот 80%, кислород 20% − контроль) и в среде ксенона (ксенон 80%, кислород − 20%)
По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода в процентах (%) в камере с крысой.
Крысы 400±50 грамм. В контрольной группе (n=25), на фоне ксенона проведено 15 опытов. Камера 1850 мл. Поглощение кислорода в контроле за 30 минут было 18.85±0,5 мл/кг/мин. Поглощение кислорода в ксеноне за 105 минут было 5,875±1,1 мл/кг/мин. В ксеноне потребление кислорода составило 31% от контроля, это в 3.2 раза (при P<0,05) меньше контроля (рис. 5). Время максимального выживания в ксеноне составило 350% от контроля, или в 3,5 раза больше по сравнению с контролем (при P<0,05).
Рис.6. Поглощение кислорода крысой в замкнутой камере в воздухе (азот 80%, кислород 20% − контроль) и после медазепама 2мг/кг внутрибрюшинно
По оси абсцисс время опыта в минутах. По оси ординат концентрация кислорода в процентах (%) в камере с крысой.
Крысы 400±50 грамм. В контрольной группе (n=25), и на фоне медазепама проведено 14 опытов. Камера 1850 мл. Поглощение кислорода в контроле за 30 минут было 18.85±0,5 мл/кг/мин. Поглощение кислорода после медазепама (рис. 6) за 135 минут было 4,57±0,8 мл/кг/мин. После медазепама потребление кислорода составило 24% от контроля, это в 4.12 раза (при P<0,05) меньше контроля. Время максимального выживания после медазепама составило 450% от контроля, или в 4,5 раза больше по сравнению с контролем (при P<0,05).
Выводы. Поглощение кислорода в контроле за 30 минут было 18.85 мл/кг/мин. Поглощение кислорода в аргоне за 40 минут было 14.95 мл/кг/мин. В аргоне уменьшилось потребление кислорода на 26,7% (при P<0,05). Время максимального выживания в аргоне увеличилось на 33.3% (при P<0,05). Поглощение кислорода в криптоне за 55 минут было 10.87 мл/кг/мин. В криптоне уменьшилось потребление кислорода на 42,3%, или в 1.73 раза (при P<0,05) по сравнению с контролем. Время максимального выживания в криптоне увеличилось на 83.3% или в 1,83 раза по сравнению с контролем (при P<0,05). Поглощение кислорода в ксеноне за 105 минут было 5,875 мл/кг/мин. В ксеноне потребление кислорода составило 31% от контроля, это в 3.2 раза (при P<0,05) меньше контроля. Время максимального выживания в ксеноне составило 350% от контроля, или в 3,5 раза больше по сравнению с контролем (при P<0,05). Поглощение кислорода после медазепама за 135 минут было 4,57 мл/кг/мин. После медазепама потребление кислорода составило 24% от контроля, это в 4.12 раза (при P<0,05) меньше контроля. Время максимального выживания после медазепама составило 450% от контроля, или в 4,5 раза больше по сравнению с контролем (при P<0,05). Медазепам относится к транквилизаторам, механизм действия которых происходит за счет усиления ГАМК – торможения. Ксенон уменьшает потребление кислорода как медазепам – поэтому, можно предположить, что ксенон это газообразный транквилизатор. Криптон и аргон действуют слабее, но механизм действия у них такой же, как у ксенона. Поэтому, можно предположить, что аргон и криптон более слабые и легкие транквилизаторы, чем ксенон.
Рецензенты:
Торшин В.И., д.м.н., профессор, зав. кафедры нормальной физиологии Медицинского института ФГАУ ВО РУДН г. Москва;
Северин А.Е., д.м.н., профессор кафедры нормальной физиологии Медицинского института ФГАУ ВО РУДН г. Москва.