13 апреля 2016г.
Изучение адаптации человека открывает путь к выявлению эффективных мер укрепления здоровья и профилактики болезней, помогает понять анатомические основы развития различных функций и резервных возможностей организма. Легкие играют важнейшую роль в обеспечении возросших потребностей организма в кислороде при физической нагрузке.
Материалы и методы. Объектом исследования служили беспородные собаки - самцы в возрасте 2 - 3 лет массой 16,12±1,06 кг, которые содержались в стандартных условиях вивария. Исследования на животных проводились в соответствии с приказами Минвуза СССР № 742 от 13.11.84 «Об утверждении правил проведения работ с использованием экспериментальных животных» и № 48 от 23.01.85 «О контроле за проведением работ с использованием экспериментальных животных». Животные использовались в эксперименте после снятия обстановочного рефлекса. Взятие материала производилось в осенне-зимний период. Для создания оптимальных условий по стандартизации величины физической нагрузки использовали бег животных со скоростью 15 км/ч на тредмилле конструкции Губина В.И. и Сорокина А.П. (1971) с регулируемой скоростью движения ленты. Особенностью методического подхода в организации эксперимента является индивидуальное дозирование воздействия по способу, разработанному на кафедре (Сорокин А.П. с соавт., 1977). При изучении нагрузок «до отказа» впервые были описаны 6 стадий (Сорокин А.П. с соавт., 1977) в реакции кардио-респираторной системы. Несмотря на выраженность индивидуальных реакций, можно выделить несколько критических точек, имеющих место у всех животных вне зависимости от продолжительности нагрузки (Бирюкова О.В., 1998). Структура эксперимента включала формирование у животных высокого уровня (пика) работоспособности нагрузками оптимальной величины. «Пик» работоспособности определяли по индивидуально максимальной длительности бега при минимальных значениях частоты сердечных сокращений в процессе нагрузки. Наступление пика проявлялось и в показателях вентиляции и газообмена. После прохождения «пика» животных переводили на нагрузки до окончания периода врабатывания (третья А стадия). Среднее время бега составляло 11,30±0,51 мин. Эти нагрузки приводили к формированию парадоксальной реакции: значения показателей дыхательного эквивалента и ЧСС до нагрузки выше, чем после нее. Кислородный пульс до и после нагрузки достигал высоких значений, что отражало высокий уровень корреляции сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Через 6-8 тренировок нагрузками до окончания периода врабатывания переходили вновь к нагрузкам оптимальной величины. Переход к тренировкам до четвертой стадии и развитие второго пика сопровождались возвращением значений частоты, глубины, минутного объема дыхания, дыхательного эквивалента и частоты сердечных сокращений к уровню исходных данных до начала тренировок. Среднее время бега выше, чем на первом «пике». Третий этап тренировок (нагрузки до третьей А и далее до четвертой стадии) приводил к дальнейшему росту времени бега и формированию у животных третьего «пика» работоспособности, после этого проводился четвертый макроцикл нагрузок для создания четвертого «пика» работоспособности. Таким образом сформировали в первой экспериментальной группе у 14 животных первый пик, во второй у 14 животных – второй пик, в третьей группе у 10 животных – четвертый пик. Контролем была группа из 14 собак. До и после нагрузки проводили определение частоты дыхания (ЧД, цикл/мин), дыхательного объема (ДО, л), потребления кислорода (ПО2, л/мин) (по данным спирограммы спирографа Метатест), времени бега (мин), частоты сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), вычисляли минутный объем дыхания (МОД, л). После выполнения последней нагрузки животным вводили 10% раствор тиопентала натрия из расчета 0,5 мл/кг. В условиях управляемого дыхания рассекали грудную стенку и извлекали легочно-сердечный комплекс. После осмотра лезвием бритвы выделяли фрагменты в центральных отделах диафрагмальной доли правого легкого, фиксировали в 10% растворе нейтрального формалина. Для проведения гистологических методов исследования использовались парафин- целлоидиновые срезы толщиной 5-7 мкм. Гистологические срезы окрашивали комбинированно по Вейгерту и тиазиновым красным – пикрофуксином для демонстрации связи эластических волокон и гладких мышц. Нами не была использована традиционная пропись окраски по ван Гизону, так как ее модификация, описанная Ромейсом (Ромейс Б., 1953), является более контрастной и яркой, а также не выцветает, не зависимо от условий хранения. При комбинированной окраске достаточно четко контурировались границы эпителия. Для количественной оценки межтканевых отношений использовали планиметрический метод, основанный на принципе A.Delesse (1847). На комбинированно окрашенных срезах в 60-и полях зрения с помощью сетки Автандилова (на 100 точек) (Автандилов Г.Г., 1990) проводили подсчет при увеличении 7*1,5*40 относительного объема тканевых компонентов легкого: воздуха, полупроводящих и респираторных структур и сосудов, выраженного в процентах. При определении терминальных бронхиол и дыхательных бронхиол первого, второго и третьего порядков и сопровождающих артерий были использованы критерии отличия этих бронхиол и артерий между собой, рекомендуемые А.Д. Соболевой (Соболева А.Д., 1975), И.К. Есиповой и Г.С. Шишкиным (Есипова И.К. с соавт., 1975). Полутонкие срезы окрашивали 1% раствором толуидинового синего. Оцифровывали изображение и проводили измерения 50 поперечных срезов капилляров межальвеолярной перегородки.
Результаты исследования. В нашем эксперименте физиологические изменения в группах животных были следующими. На «первом пике» работоспособности в результате цикла тренировок продолжительность бега у животных в период максимальной работоспособности была в 3,69 раза больше, чем в начале. Среднее время бега 65,09±6,77 мин. Частота сердечных сокращений практически не изменилась. Частота дыхания в ответ на дозированную двигательную нагрузку возросла на 39%, дыхательный объем снизился на 39,5%, МОД и потребление кислорода остались практически прежними. Длительность бега у животных второй экспериментальной группы увеличивалась на «первом пике» в 4,63 раза, на «втором пике» в 5,86 раза по сравнению с первой нагрузкой до четвертой стадии, среднее время бега было 85,79±6,44 мин и 111,21±5,50 мин соответственно. Двигательные нагрузки привели к снижению в экспериментальной группе ЧСС на «пиках» работоспособности на 15,35% и 17,87%, что составило 176,50±9,32 уд/мин и 182,58±11,29 уд/мин. Частота дыхания до бега не изменилась. ЧД после бега на «пиках работоспособности» была меньше, чем на первой нагрузке (p>0,05). Средние значения дыхательного объема и потребления кислорода в начале и в конце эксперимента достоверно не отличались. Средняя продолжительность бега в группе «четвертого пика» составила 86,16±7,67 мин. Длительность бега у данной группы животных увеличилась на «четвертом пике» в 7,33 раза по сравнению с первой нагрузкой до четвертой стадии. Средняя частота сердечных сокращений практически не изменилась 176,33±10,18 уд/мин. Минутный объем дыхания до бега и после бега на первой и последней нагрузках эксперимента не отличались. Потребление кислорода после бега достоверно увеличилось в конце макроцикла тренировок. Изменений легких и плевры на макроуровне не обнаружено. На органном уровне у животных контрольной группы выявлен значительный разброс относительных объемов воздуха от 46,70 усл. ед. до 57,95 усл. ед. и компонентов ацинуса от 28,75 усл. ед. до 43,15 усл. ед. На первом пике у животных относительные объемы воздуха 46,74±0,99 усл. ед., структур ацинуса 29,40±1,18 усл. ед., что на 12,03% и 21,66% ниже, чем в контрольной группе. На втором пике относительный объем воздуха составлял 48,56±1,57 усл. ед. и относительный объем структур ацинуса был 35,72±1,74 усл. ед., первый показатель был меньше на 8,60% (р=0,02), второй не отличался от контрольной группы. На «четвертом пике» оба признака от интактной группы достоверно не отличались. Неопределенность на органном уровне организации у животных контрольной группы соответствовала вероятностно-детерминированному характеру системы. На первом и втором пиках неопределенность системы относительно обоих признаков была больше, чем в контрольной группе. У животных «четвертого пика» энтропия системы относительно обоих признаков была меньше, чем в контрольной группе. В контрольной группе объем структур ацинуса коррелировал с надорганным параметром (частотой дыхания). На первом пике количество корреляционных связей органного и надорганного уровней (функции внешнего дыхания и показателей газообмена) больше (6), чем в контрольной группе (1), определено 5 положительных достоверных связей относительного объема воздуха, из которых две – с параметрами до нагрузки. На втором пике взаимосвязь органного и надорганного уровней также выражена как и в первой экспериментальной группе (6 корреляций), все связи были с параметрами после нагрузки, междууровневых связей с морфологическими признаками нет. В обеих экспериментальных группах выявлена корреляционная связь между относительным объемом воздуха и потреблением кислорода после бега, что говорит о «жесткой взаимозависимости» показателей на этом этапе эксперимента. У животных «четвертого пика» возникает внутриуровневая связь между относительными объемами воздуха и компонентов ацинуса, взаимозависимость надорганных и органных признаков отсутствует, однако коррелируют длительность бега (организменный уровень) и относительный объем воздуха. Самая небольшая энтропия, внутриуровневая связь параметров и связь со временем бега являются отличием «четвертого пика» от других групп и демонстрируют участие органного уровня в адаптации к двигательной нагрузке. Площадь поперечного сечения легочных капилляров (тканевый уровень) в контрольной группе была от 1951,53 усл. ед. до 2870,90 усл. ед. На «первом» и «втором пиках» она превышала значения контрольной группы на 60,26% и 42,98%, колебалась от 1805,44 усл. ед до 6721,16 усл. ед. в первой экспериментальной группе и от 1828,71 усл. ед до 5937,42 усл. ед. – во второй. Площади поперечного сечения просвета капилляров у животных «четвертого пика» достоверно не отличались от контрольной группы. Неопределенность на тканевом уровне организации соответствовала вероятностно-детерминированному характеру системы. Относительная энтропия у животных контрольной и первой экспериментальной групп была меньше, чем в группах «второго пика» и «четвертого пика». Изменения просвета капилляров у животных первой и второй экспериментальных групп можно расценивать как наличие гипоксии. На первом пике высокая частота сердечных сокращений сопровождалась большими площадями поперечных сечений просветов капилляров. В первой экспериментальной группе выявлено 3 корреляции с клеточным уровнем и две – с уровнем структурно-функциональной единицы, которых нет у контрольных животных. Во второй и третьей экспериментальных группах междууровневая взаимосвязь всего одна. Большая энтропия и меньшая дисперсия являются отличием третьей экспериментальной группы от контрольной группы и демонстрируют иной характер взаимодействия при адаптации к двигательной нагрузке.
Заключение.
В цепочке «контроль»–«первый пик»–«второй пик»–«четвертый пик» морфологические признаки органного уровня сначала снижаются, далее возвращаются к значениям контрольной группы. Морфологический признак тканевого уровня сначала повышается, далее возвращается к значениям контрольной группы.
Сопоставление морфологических данных животных контрольной группы и параметров функции внешнего дыхания позволило сделать вывод о разных вариантах сочетания структурных признаков при одинаковых физиологических характеристиках. Однако, мы признаем возможность однозначных трактовок крайних (минимальных и максимальных) значений морфологических признаков на фоне того или иного состояния функции внешнего дыхания.
Индивидуально дозированные двигательные нагрузки в виде цикла тренировок до четвертой стадии на «первом пике» приводят к повышению интеграции разных уровней организации дыхательной системы и выявляют возможные лимитирующие звенья.
Список литературы
1. Автандилов, Г.Г. Медицинская морфометрия: руководство / Г.Г. Автандилов. - М.: Медицина, 1990. - 384 с.
2. Бирюкова, О.В. Работоспособность при гипокинезии и двигательных нагрузках: дис. д-ра мед. наук / О.В. Бирюкова. - М., 1998. - 262 с.
3. Есипова, И.К. Общая структура ацинуса легкого / И.К. Есипова, Г.С. Шишкин // Легкое в норме. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1975. - С. 30-37.
4. Ромейс, Б. Микроскопическая техника / Б. Ромейс ; пер. с нем. - М. : 1953.
5. Соболева, А.Д. Воздухоносные пути и сосуды легких / А.Д. Соболева // Легкое в норме. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1975. - С. 14-29.
6. Сорокин, А.П. Адаптация и управление свойствами организма / А.П. Сорокин, Г.В. Стельников, А.Н. Вазин. - М.: Медицина, 1977. - 263 с.
