УДК 612.223. 612.766.1                                               

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГАЗООБМЕНА ЧЕЛОВЕКА
ВО ВРЕМЯ ИНТЕНСИВНОЙ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕННОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Найдич С.И.
Выявлено, что экспериментальное повышение функционального состояния  аппарата внешнего дыхания за счет изменения газового состава вдыхаемого воздуха приводит к увеличению парциального  давления углекислого газа в альвеолярном воздухе на протяжении всего времени работы на велоэргометре со ступенчато-возрастающей мощностью до полного утомления.  Кроме того, снижение РАСО2 в определенный момент мышечной деятельности происходит при большей мощности нагрузки по сравнению с обычной газовой средой, что при сопоставлении с динамикой дыхательного коэффициента и ЕхсСО2 свидетельствует и о меньших нарушениях кислотно-основного состояния внутренней среды организма.
Ключевые слова:  мышечная деятельность, внешнее дыхание, работоспособность

ВВЕДЕНИЕ
Изучение проблемы сохранения высокой физической работоспособности человека в экстремальных условиях его жизнедеятельности составляет одно из актуальных направлений научных исследований в современной физиологии и спортивной медицины.
Изве­стно, что при физической работе в ор­ганизме человека наряду с недостат­ком кислорода нарастает дефицит С02, так как интенсивная мышечная деятельность сопровождается истоще­нием бикарбонатной емкости тканей, элиминацией буферной углекислоты и развитием метаболического ацидоза [1]. Показано, что при увеличении парциального давления С02 в воздухе происходит более значительное погло­щение углекислого газа плазмой кро­ви, в результате чего образуется боль­шое количество угольной кислоты и бикарбонатов [2]. Следовательно, теоретически существует возможность управления буферной емкостью крови и регуляции рН посредством подбора соответствующего парциального давле­ния  С02 во вдыхаемом  воздухе. Мышечная деятельность в условиях гиперкапнии изучалась сравнительно мало [3, 4, 5], а исследования в условиях гиперкапнии-гипероксии и вовсе были единичными [6, 7].
Целью настоящего исследования бы­ло изучение влияния на организм че­ловека различных газовых смесей, в целях выявления особенностей газообмена и кислотно-основного со­стояния при физическом утомлении.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследованиях принимали участие 12 квалифицированных спортсменов (средний возраст 16,8±0,8 года, рост 166,7+2,0 см, масса тела 60,3 + 1,6 кг, ЖЕЛ - 4250+80 мл, РWС170 - 24,6±1,2 кгм/мин/кг, МПК - 68,4+2,8 мл/мин/кг). После проведения 4 тренировочных занятий на велоэргометре все они были включены в программу исследо­ваний.   Было проведено 3 серии исследований.  В I серии определяли данные в естественных атмосферных условиях. Во II серии обследуемые лица дышали газовой смесью, содержащей 1 % С02 и 34 % 02. В III серии применяли гипероксическую газо­вую смесь (34 % 02). Спортсмены выполняли работу на велоэргометре ВЭ-02 со ступенчато-возрастающей (каждая ступенька 3 минуты) мощностью до полного утомления. Во всех обследованиях функции внешнего дыхания изучались в открытой системе методом Дугласа-Холдена.

С помощью химического газоанализатора определяли концентрацию СО2 и О2 в выдыхаемом и альвеолярном воздухе. По общепринятой методике рассчитывали потребление кислорода, выделение углекислого газа, дыхательный коэффициент, парциальное давление углекислого газа и кислорода в альвеолярном воздухе. Дыхательные объемы приводились к альвеолярным условиям (ВТРS), а показатели газообмена – к условиям стандартной атмосферы (SТРD). Кроме того, на 3-й минуте после окончания тестирования определяли показатели кислотно-основного состояния (КОС) крови в капиллярной крови методом эквилибрации на микроанализаторе ОР-210/3. По номограмме находили напряжение углекислого газа в крови (рСО2), количество буферных оснований (ВВ), концентрацию нелетучих кислот (ВЕ), общее количество химически связанного и физически растворенного углекислого газа (tСО2).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При исследовании интегральных показателей критериев газообмена - потребления кислорода и выделения углекислого газа (таблица 1) отмечались следующие особенности.

Таблица 1.
Динамика потребления кислорода и выделения углекислого газа у спортсменов во время работы на велоэргометре в разных газовых  средах

 

Показатели

Условия

50
ватт

100
ватт

150
ватт

200
ватт

250
ватт

300
ватт

350
ватт

 

V02,
мл/мин

20,9% О2

1029
±22

1342
±29

1757
±35

2171
±46

2529
±51

3048
±69

3541
±83

34% О2

1101
±25

1402
± 31

1800
±37

2135
±40

2606
± 59

3127
±84

*3975
± 99

1% СО2+
34% О2

  1090
±20

 1392
± 27

 1812
±33

  2201
±46

 2541
±60

 3081
±79

 *3770
±91

 

VCO2,
мл/мин

20,9% О2

815
±18

   1098 
±23

  1469
±33

  1848
±41

  2226
±60

2725
±81

   3449
±112

34% О2

810
±16

1052
±21

*1397
±30

*1708
±45

 2193  
±63

2749 
±86

*3711  
±156

1% СО2+
34% О2

824
±19

1073
±24

1446
±31

  1807
±49

 *2160
±67

  2798 
±89

  3483 
±129

* – различия статистически достоверны по сравнению с обычными условиями

В условиях гипероксии потребление кислорода достоверно превышало соответствующий показатель нормоксии при нагрузке 350 ватт, достигая разницы в 801+19 мл/мин (р<0,01) при максимальной нагрузке. Кроме того, линейная зависимость между  VО2 и мощностью физической нагрузки нарушалась при 350 ваттах, в то время как во время работы в обычных условиях экспоненциальный прирост  VО2 наступал при нагрузке 300 ватт. Используя уравнение линейной регрессии мы рассчитали должное потребление кислорода при нагрузке 350 ватт в условиях нормоксии и сравнив его с фактическим определили величину дефицита кислорода, равную 0,777 мл/мин. При обогащении вдыхаемого воздуха кислородом его дефицит при этой же нагрузке был на 434 мл/мин меньше (р<0,01), что могло способствовать увеличению объема выполненной работы.


Высокий уровень потребления кислорода, наблюдаемый во время мышечной работы в среде с повышенной концентрацией кислорода, обеспечивался за счет значительного прироста потребления О2 на каждый литр вентилируемого легкими воздуха. На рис. 1 показана динамика процентной величины утилизации кислорода вдыхаемого воздуха при работе в разных газовых средах. Достоверные различия по сравнению с обычными условиями проявлялись уже при нагрузке 150 ватт и составляли соответственно 4,6+0,2 и 4,2+0,1% (р<0,05), а при нагрузке 350 ватт – 4,5+0,1 и 4,1+0,2% (р<0,05).
Это свидетельствует о возросшей эффективности дыхания, что, по-видимому, способствовало проявлению функциональной недостаточности внешнего дыхания позже, чем в обычных условиях – при нагрузке 300 и 250 ватт, соответственно. При дыхании гиперкапнически-гипероксической газовой смесью стимулирующий эффект был менее выражен и FeO2 достоверно не различался с условиями нормоксии.

Динамика процентной величины утилизации кислорода у спортсменов во время работы на велоэргометре в разных газовых средах.
1 - смесь 34% О2; 2 смесь 1% СО2+34% О2; 2 - воздух

Рис. 1. Динамика процентной величины утилизации кислорода у спортсменов во время
              работы на велоэргометре в разных газовых средах.

Благоприятное влияние повышенной концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе на систему внешнего дыхания и метаболические процессы отражалось и на газовом составе альвеолярного воздуха. На рис. 2 показана динамика  парциального давления углекислого газа в альвеолярном воздухе во время работы на велоэргометре до полного утомления в различных газовых средах.

 

Рис. 2. Динамика РАСО2 у спортсменов во время  работы на велоэргометре в разных газовых средах.

Как видно из рисунка, уже при нагрузке 50 ватт значение РАСО2 в условиях гипероксии было больше по сравнению с обычными условиями и составляло соответственно 51,2 + 0,4 и 48,1 +0,5 гПа (р<0,05). В дальнейшем, повышение   РАСО2 во время дыхания воздухом с повышенной концентрацией  кислорода продолжалось до нагрузки мощностью 200 ватт и стабильно удерживалось до нагрузки 300 ватт, лишь затем существенно снижаясь. При работе в обычных условиях стабильный уровень РАСО2 сохранялся до нагрузки 250 ватт, затем наблюдалось его  резкое падение. При этом максимальная величина РАСО2 в условиях гипероксии была на 8,1% (р<0,05) больше, чем соответствующие величины в условиях нормоксии, а в момент прекращения работы разница достигла 10,8% (р<0,01).


Таким образом, полученные данные говорят о том, что экспериментальное повышение функционального состояния  аппарата внешнего дыхания приводит к увеличению парциального  давления углекислого газа в альвеолярном воздухе на протяжении всего времени работы на велоэргометре со ступенчато-возрастающей мощностью до полного утомления.  Кроме того, его снижение в определенный момент мышечной деятельности происходит при большей мощности нагрузки, что при сопоставлении с динамикой дыхательного коэффициента и ЕхсСО2 свидетельствует и о меньших нарушениях кислотно-основного состояния внутренней среды организма. Подтверждением этому могут служить величины КОС крови у спортсменов на 3-й минуте после прекращения работы на велоэргометре (таблица 2). Достоверные различия величин рН – 7,260+0,002 и 7,224+0.003 усл. ед. (р<0.05), количества буферных оснований – 39,9+0.04 и 35,0+0,4 Ммоль/л (р<0,05), концентрации нелетучих кислот – 7,3+0,03 и 12,2+0,3 мМоль/л (р<0,05), соответственно в условиях гипероксии и нормоксии, свидетельствуют о более глубоких сдвигах внутренней среды организма при дыхании атмосферным воздухом, хотя объем выполненной работы был меньше. После работы в гиперкапнически-гипероксической газовой среде наблюдался схожий характер изменений показателей КОС артериальной крови – при большем объеме выполненной работы степень сдвигов был одинаковым.

Таблица 2.
Показатели кислотно-основного состояния крови у спортсменов после работы на велоэргометре в разных газовых смесях

 

 

Показатели

На 3-й минуте после работы на велоэгометре в разных газовых средах

 

20,9% О2

 

34% О2

1% СО2+
34% О2

pH, усл. ед.

7,224 ± 0,003

7,260 ± 0,002

7,240 ± 0,005

BB, мМоль/л

35,0 ±  0,4

39,9 ± 0,4

37,0 ± 0,3

BE, мМоль/л

- 12,2 ±  0,3

- 7,3  ± 0,3

- 11,1 ±  0,3

 

pCO2, гПа

 

35,5 ±  0,3

 

38,5 ± 0,4

 

36,0 ± 0,4

 

Ингаляция газовыми смесями с повышенным содержанием кислорода и углекислого газа приводила к увеличению максимальных величин потребления кислорода по сравнению с обычными условиями, что могло способствовать повышению уровня физической работоспособности обследуемых спортсменов. На рис. 3  показаны соотношения величин МПК и объема выполненной работы до отказа во время мышечной деятельности в разных газовых средах. Из рисунка видно, что при экспериментальном повышении уровня МПК на 22,6% (р  0,01) с помощью гипероксической газовой смеси объем выполненной  работы возрос на 20.0% (р  0,01). Дыхание смесью 1% СО2 +34% О2 увеличило МПК на 16,4% (р   0.01), при этом возросла на 10,7% (р   0,05) и работоспособность.

Показатели максимального потребления кислорода (МПК) и объема

 

1 – воздух; 2 смесь 1% СО2+34% О2; 3 - смесь 34% О2

Рис. 3. Показатели максимального потребления кислорода (МПК) и объема
             выполненной работы (ОВР) у спортсменов во время мышечной деятельности
             в разных газовых средах

Материалы наших исследований по­казали, что кратковременное дыхание гипероксической газовой смесью сопровождалось умеренным повышением легочной вен­тиляции и газообмена. Потребление кислорода увеличивалось за весь пе­риод ингаляции в среднем на 37%, выделение углекислого газа не изменя­лось по сравнению с данными, отме­ченными в нормальных атмосферных условиях. Дыхательный коэффициент уменьшался до 0,445±0,001 отн. ед., что свидетельствовало о ретенции ме­таболического С02. Однако парциаль­ное давление углекислого газа в крови все время оставалось стабильным и не выходило за пределы физиологической нормы. Следовательно, физиологиче­ские реакции саморегуляции газового состава внутренней среды организма обеспечивают накопление и распреде­ление метаболической углекислоты в органах и тканях без повышения раС02.

Основной емкостью для угле­кислого газа может быть жидкость ор­ганизма, способная поглощать молеку­лярный С02 и переводить его в хими­чески связанное состояние. Главная роль в перераспределении С02 между органами и тканями отводится крово­току, так как в условиях полного на­сыщения гемоглобина кислородом ос­новными способами перемещения С02 становятся его физическое растворение в плазме и повышение скорости крово­обращения [8]. По мере повышения оксигенации гемоглобина, сродство его по кислороду увеличивается примерно в 500 раз. В таком случае почти весь гемоглобин оказывается выключенным из прежнего функционального ритма по оксигенации-дезоксигенации крови и становится неспособным транспорти­ровать кислород и углекислый газ [9, 10]. В условиях гипероксии может про­исходить снижение тканевых обмен­ных процессов по причине падения утилизации кислорода вследствие его сосудосуживающего действия и замед­ления  капиллярного кровотока   [11].

Дыхание гиперкапнически-гипероксической газовой смесью имело некоторые отличительные способности. Прежде всего, экономизация аппарата внешнего дыхания проявлялась только при нагрузках умеренной интенсивности. По-видимому, вследствие этого диапазон линейной зависимости показателей внешнего дыхания от мощности физической нагрузки был таким же, как и в условиях нормоксии. Тем не менее, облегченные условия кислородного снабжения скелетных мышц за счет повышенного содержания кислорода в газовой смеси приводили к увеличению МПК на 16,4% (р<0,01), что также могло отразиться на объеме выполненной работы, который возрос на 9,7% (р<0,05). Вторым фактором, влияющим на уровень физической работоспособности обследуемых во время работы на велоэргометре в гиперкапнически-гипероксической газовой среде, возможно, было то, что в условиях интенсивных физических нагрузок повышенная концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе в определенной мере уменьшала расходование эндогенного СО2 вследствие гипервентиляции легких. Это могло способствовать повышению буферной емкости крови и увеличению продолжительности работы на велоэргометре до отказа.

Об этом свидетельствуют более высокие значения РАСО2 на протяжении всего периода работы и величины кислотно-основного состояния артериальной крови на 3-й минуте после окончания тестирования. Кроме того, наблюдалась более высокая эффективность кровообращения, что также могло повысить физическую работоспособность.
Известно при этом, что даже небольшое повы­шение содержания С02 во вдыхаемом воздухе сопровождается снижением газообмена, угнетением функций цент­ральной и периферической нервной си­стемы [12], развитием дыхательного ацидоза, лимитирующего физическую работоспособность людей [13, 14]. Од­нако малые концентрации С02 во вдыхаемом воздухе способствуют ускоре­нию восстановления физической рабо­тоспособности спортсменов в период между стартами [15].


Дыхание газовой смесью, содержа­щей 1 % С02 и 34 % О2, сопровожда­лось в наших исследованиях увеличе­нием легочной вентиляции без измене­ния напряжения углекислого газа в альвеолярном воздухе и обеспечива­лось в большей мере увеличением ды­хательного объема, а не частоты ды­хания. Регуляция газового состава крови в этих условиях способствовала накоплению СО2, ускорению восстанов­ления ионов водорода и показателей кислотно-основного состояния. Реак­ции усиления легочной вентиляции в состоянии покоя во время дыхания га­зовыми смесями, содержащими 1,0- 1,5% С02 в кислороде, без повыше­ния раС02 отмечались ранее многими авторами [16, 17]. Увеличение содер­жания кислорода в газовой смеси приводило к повышению чувствитель­ности аппарата внешнего дыхания к малым концентрациям С02 [18] и уве­личению кровообращения благодаря сосудорасширяющему действию угле­кислого газа [19].Наши же исследования показали, что и во время напряженной мышечной деятельности проявляется эффективность функций внешнего дыхания под влиянием измененной газовой среды.

ВЫВОДЫ

  1. Экспериментальное повышение функционального состояния  аппарата внешнего дыхания за счет изменения газового состава вдыхаемого воздуха приводит к увеличению парциального  давления углекислого газа в альвеолярном воздухе на протяжении всего времени работы на велоэргометре со ступенчато-возрастающей мощностью до полного утомления.
  2. Снижение РАСО2 в определенный момент мышечной деятельности происходит при большей мощности нагрузки по сравнению с обычной газовой средой, что при сопоставлении с динамикой дыхательного коэффициента и ЕхсСО2 свидетельствует и о меньших нарушениях кислотно-основного состояния внутренней среды организма.

Список литературы

  1. Агаджанян Н.А., Красников Н.П., Полунин И.Н./Физиологическая роль углекислоты и работоспособности человека. – Изд.: АРМА, Москва-Астрахань-Нальчик, 1995 - 188 с.
  2. Агаджанян Н.А., Елфимов А.И./Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии//Москва: Медицина, 1986. – 269 с.
  3. Бреслав  И.С., Глебовский В.Д./Регуляция дыхания. – Ленинград: Наука, 1980
  4. Михайлов В.В./Дыхание спортсмена//Москва: ФИС, 1983. – 1983. – 103с.
  5. Агаджанян Н.А., Красников Н.П./Оценка функционального состояния спортсмена в условиях измененной газовой среды//Теория и практика физической культуры. – 1985. - № 3. – С. 19-21.
  6. Красников Н. П. Значение газообменной функции легких и кислотно-основного состояния крови в механизме повышения работоспособности и развития мышечного утомления / Автореферат дисс. док. биол. наук. — М., 1995.- 37 с.
  7. Найдич С.И./ Исследование функций внешнего дыхания при интенсивной мышечной деятельности в условиях нормоксии, гипероксии и гиперкапнии-гипероксии/ Автореферат дисс. канд. биол. наук. – Москва, 1988. - 32 с.
  8. Jenning D., Laupacis A./Resp. Physiol., 1982. – Vol. 49. – P. 335 – 369.
  9. Жиронкин А. Г. Кислород: Физиологиче­ское  и  токсическое  действие/ Л., 1972.
  10. Иржак Л. И., Гладилов В.В., Мойсеенко Н.А./Дыхательная функция крови в условиях гипероксии. – Москва, 1985.
  11. Коваленко Е.А., Черняков И.Н./Кислород  тканей при экстремальных факторах полета//Москва: Наука, 1972. – 263 с.
  12. Маршак М. Е./Физиологическое значение углекислоты - . М., 1969.
  13. Глазков В. А., Черняков И. Н.// Космиче­ская биол.,   1975, т. 9, № 2, с. 20—27.
  14. Guillerm R., Radziszewski E.//J. Physiol. – 1972. – Vol. 345. – P. 92.
  15. Анисимов Е. А.// Учен, записки Моск. обл. педагог, ин-та им. Н. К. Крупской, 1968. - T. 206. - C. 44—48.
  16. Anthonisen N., Dhingra S.//Resp. Physiol., 1978. – Vol. 32. – P. 335-344.
  17. Cummin A., Iyave V. Sanders K.// J. Physiol. – 1983. – Vol. 340. – P. 17-18.
  18. Брандис С. А., Пиловицкая В. Н.// Фи-зиол. жури. СССР, 1962, т. 48, с. 455—562.
  19. Власов, Ю.А. Кровообращение и газообмен человека/Новосибирск: Наука., 1992. - 317 с.

Найдич С.И. Исследование показателей газообмена человека во время мышечной деятельности в условиях измененной газовой среды//
Выявлено, что экспериментальное повышение функционального состояния  аппарата внешнего дыхания за счет изменения газового состава вдыхаемого воздуха приводит к увеличению парциального  давления углекислого газа в альвеолярном воздухе на протяжении всего времени работы на велоэргометре со ступенчато-возрастающей мощностью до полного утомления. Кроме того, снижение РАСО2 в определенный момент мышечной деятельности происходит при большей мощности нагрузки по сравнению с обычной газовой средой, что при сопоставлении с динамикой дыхательного коэффициента и ЕхсСО2 свидетельствует и о меньших нарушениях кислотно-основного состояния внутренней среды организма.
Ключевые слова:  мышечная деятельность, внешнее дыхание, работоспособность

Найдич С.І. Дослідження показників газообміну людини під час м'язової діяльності в умовах зміненого газового середовища//
Виявлено, що експериментальне підвищення функціонального стану апарату зовнішнього дихання за рахунок зміни газового складу вдихуваного повітря призводить до збільшення парціального тиску вуглекислого газу в альвеолярному повітрі протягом всього часу роботи на велоергометрі із ступінчасто-зростаючою потужністю до повного стомлення.Крім того, зниження РАСО2 в певний момент м'язової діяльності відбувається при більшій потужності навантаження в порівнянні із звичайним газовим середовищем, що при зіставленні з динамікою дихального коефіцієнта і ЕхсСО2 свідчить і про менші порушення кислотно-основного стану внутрішнього середовища організму.
 Ключові  слова:  мускульна діяльність, зовнішнє дихання, працездатність
Naidych S.I. Research of indexes of interchange of gases of man during muscular activity in the conditions of the changed gas environment//
It is educed, that the experimental increase of the functional state of vehicle of the external breathing due to the change of gas composition of respirable air results in the increase of парциального pressure of carbon dioxide in alveolar air at all time works on a veloergometer with step-increasing power to the complete fatigue.
In addition, the decline of РАСО2 in certain moment of muscular activity takes place at greater power of loading as compared to an ordinary gas environment, that at comparison with the dynamics of respiratory coefficient and ЕхсСО2 testifies and about less violations of the acid-basic state of internal environment of organism.
Key words: muscular activity, exterior breathing, capacity