Изменения основного обмена у экипажа в условиях восьмимесячной изоляции в герметичном объекте с умеренно гиперкапнической искусственной газовой средой. Сообщение 1

Полный текст

Известно, что минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизнедеятельности физиологических систем организма в состоянии полного покоя (основной обмен), составляет 50–70% общих энерготрат организма человека при малоподвижном образе жизни [1–4]. Кроме того, известно, что уровень основного обмена (ОО) организма человека является интегральным показателем интенсивности окислительных процессов в тканях и может изменяться при недостаточном или избыточном питании, длительном увеличении или снижении физических нагрузок, при воздействии на организм сезонных и климатических факторов [5–8]. Изменения уровня ОО могут быть также связаны с развитием различных заболеваний [9]. В клинической практике для оценки ОО широко используются уравнения на основе антропометрических данных, однако фактические энерготраты рекомендуется определять инструментальными методами, в том числе с помощью калориметрии [10–12]. Наиболее информативной характеристикой энергетического обмена является удельная скорость ОО (ккал/кг/час) [13].

Определение уровня ОО имеет важное прикладное значение: на основе измерений ОО методом непрямой калориметрии можно количественно оценить базовые индивидуальные потребности в энергии и кислороде, а также теплопродукцию экипажей космических летательных аппаратов (КЛА), в том числе при планировании длительных миссий за пределы орбиты Земли [14—20]. Так как экипаж является не только объектом обеспечения теплового режима КЛА, но и источником тепла, в модельных экспериментах важно оценить теплопродукцию экипажа за период, сопоставимый с продолжительностью длительной космической миссии. Результаты непрямой калориметрии у экипажа за длительный период можно использовать для идентификации математических моделей теплового режима экипажа при его взаимодействии со средой герметичного объекта при проектировании систем обеспечения теплового режима КЛА [21, 22]. Индивидуальные данные калориметрии можно также применить для оценки индивидуальной теплопродукции и потребности в кислороде при использовании изолирующих средств защиты [23].

При этом следует учесть, что увеличение продолжительности пребывания человека в условиях невесомости сопровождается усилением катаболических процессов и постепенным снижением скорости многих метаболических реакций, обеспечивающих образование энергии в организме, а также снижением теплопродукции на 10–15% [19, 24].

Известно, что у человека в естественных геофизических условиях происходят сезонные изменения ОО, которые заключаются в повышении уровня энерготрат весной и ранним летом и понижении их поздней осенью и зимой [5, 7]. Это связано не столько с температурным фактором, сколько с изменением двигательной активности и колебаниями гормональной деятельности организма в соответствии с биологическими ритмами [25, 26]. Ранее, в 520-суточном изоляционном эксперименте “Марс-520” Государственного научного центра РФ – Института медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН, г. Москва) с помощью стохастического моделирования вегетативного индекса Кердо (ВИК) нами были обнаружены индивидуальные сезонные ритмы вегетативной регуляции центральной гемодинамики, а также найдены корреляции (r > 0.92, p ≤ 0.05) между величиной ВИК и потреблением кислорода при дозированной физической работе возрастающей мощности [27]. В случае сохранения сезонных колебаний основного энергетического обмена в условиях длительной изоляции от действия геофизических факторов в герметичном объекте следует оценить количественно и учесть эти изменения при расчетах калорийности запасов продуктов питания и кислородсодержащих соединений, необходимых для экипажей, а также в целях оптимизации работы систем управления тепловым режимом КЛА при длительных космических миссиях [28].

В ранее проводившихся исследованиях энергетического обмена в ходе модельных и космических экспериментов были исследованы в основном моногендерные экипажи, сформированные из добровольцев-мужчин [29]. В настоящее время большинство космических полетов проходят с гендерно-смешанными экипажами.

В связи с этим представляется актуальной задача количественной оценки уровня основного обмена и его сезонных изменений у гендерно-смешанного экипажа в условиях длительной изоляции в модельном эксперименте.

Цель работы – поиск закономерностей в динамике основного обмена у гендерно-смешанного экипажа в условиях длительной изоляции в герметичном объекте с умеренно гиперкапнической газовой средой в эксперименте SIRIUS-21.

Задачи работы – оценить: 1) количественно ОО и потребление кислорода в покое у экипажа гермообъекта за 8 мес. изоляции; 2) влияние условий восьмимесячной изоляции в герметичном объекте на уровень основного обмена у экипажа; 3) сезонные изменения ОО у экипажа за 2 календарных сезона в условиях изоляции от действия сезонных геофизических факторов.

МЕТОДИКА

В эксперименте SIRIUS-21 принимали участие 5 добровольцев (3 мужчин и 2 женщины) в возрасте от 29 до 43 лет. Добровольцы были ознакомлены со всеми требованиями и условиями для корректного измерения ОО. Исследования основного обмена методом непрямой калориметрии с дилюционным куполом проводили с помощью метаболографа Quark CPET (CosMed, Италия) [30, 31]. Сразу после 8-часового сна и 12-часового голодания в течение 20 мин исследовали газообмен в состоянии релаксации у добровольцев в положении лежа на спине [32]. Основные регистрируемые показатели: скорость потребления кислорода (мл/мин) и выделение углекислого газа (мл/мин). Из показателей газообмена вычисляли суточные энерготраты, ОО в ккал/сут. Первые 5 мин регистрации газообмена из анализа данных исключали. Исследование ОО у каждого добровольца было выполнено: дважды – в фоне (на –38–35, –9–6 сут), 7 раз в течение изоляции со средним интервалом между сессиями 33 сут (23–25, 50–52, 84–86, 110–112, 154–156, 181–183, 222–224 сут) в ЭУ-250 Наземного экспериментального комплекса (НЭК) ГНЦ РФ – ИМБП РАН (г. Москва) с умеренно гиперкапнической газовой средой и дважды в период последействия (+1–2, +8—9). Период изоляции продолжался с 4.11.2021. по 3.07.2022. Содержание СО₂ в атмосфере ЭУ-250 во время исследований ОО в изоляции составляло 0.02–0.2%, температура 21–23 °С. Во время фонового периода добровольцы ночевали и были исследованы в клиническом отделе ГНЦ РФ – ИМБП РАН (г. Москва), в период последействия – в разгерметизированном НЭК. В ходе изоляции исследования ОО проводили ответственные за методику члены экипажа под дистанционным наблюдением и контролем научных сотрудников (авторов настоящей статьи). Период изоляции включал в себя два полных календарных сезона: зимний 2021/2022 гг. и весенний 2022 г. Экипаж был изолирован от действия сезонных изменений освещения, так как в герметичном объекте отсутствуют иллюминаторы, внутри было создано искусственное освещение, продолжительность дневного и ночного периодов не имела сезонных изменений. Внутри замкнутого объема поддерживали температуру комфорта 21–23 °C и формировали искусственную газовую среду, в которой с помощью СЖО поддерживали содержание кислорода на уровне 21%, диоксида углерода не более 0.35%.

Расчеты фактических энерготрат выполняли по уравнению Вейра (1949). Удельные энерготраты (ккал/кг/сут) рассчитывали на 1 кг массы тела добровольцев, измеренной во время медицинского контроля в день измерений газообмена. При разведочном статистическом анализе полученных данных описательной статистики вычисляли доверительные интервалы средних арифметических энерготрат с заданной надежностью 0.95. Далее проводили аппроксимацию полученных данных полиномами 7-го порядка методом максимального правдоподобия Фишера на интервале всего эксперимента. Энерготраты на интервалах эксперимента вычисляли с помощью определенного интегрирования полученных аналитических выражений. Для вычислений и графических интерпретаций результатов измерений использовали программное обеспечение: Origin Pro 8 (OriginLab Corporation, США) и Derive^TM6 V6.10 (Texas Instrument, США) [33, 34].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что в ходе 240-суточной изоляции в гермообъекте с умеренно гиперкапнической искусственной газовой средой уровень ОО у всех членов экипажа оказался пониженным по сравнению с фоном в среднем на 6 ккал/кг/сут (табл. 1). Аппроксимацию результатов измерений ОО из табл. 1 для каждого добровольца выполняли с использованием полиномов 7-го порядка в виде:

Таблица 1. Описательная статистика результатов измерений ОО у добровольцев эксперимента SIRIUS-21

Примечание: K, I, B, L, M – идентификаторы добровольцев. ОО – основной обмен, СКО – среднеквадратическое отклонение.

$y\left(t\right)=a\times t^7+b\times t^6+c\times t^5+f\times t^4+g\times t^3+h\times t^2+j\times t+z$, (1)

где y(t) – величина ОО (ккал/кг массы тела в сутки), в зависимости от времени t (сут). Методом наименьших квадратов находили численные значения индивидуальных коэффициентов: a_i, b_i, c_i, f_i, g_i, h_i, j_i, z_i. Графические интерпретации полученных аналитических выражений, аппроксимирующих индивидуальные средние арифметические значения результатов измерений ОО у добровольцев, представлены на рис. 1. Для оценки индивидуальных энерготрат на всем временнóм интервале изоляции (от 0 до 240 сут) вычисляли определенные интегралы по формуле:

${\int }_0^{240}\left(a_i\times t^7+b_i\times t^6+c_i\times t^5+f_i\times t^4+g_i\times t^3+h_i\times t^2+j_i\times t+z\right)dt$. (2)

Рис. 1. Графические интерпретации динамики основного обмена (ОО) за 240 сут в нормальных условиях и в условиях изоляции у 5 добровольцев K, I, B, L, M. Кривые – графические интерпретации полиномов 7-го порядка, аппроксимирующих средние значения удельного ОО у добровольцев в фоне, изоляции и последействии. Горизонтальные линии – индивидуальные фоновые уровни ОО при нормальных условиях. Вертикальные линии обозначают начало (t₁ = 0) и окончание (t₂ = 240) периода изоляции. Черные квадраты – средние арифметические результатов измерений ОО за каждую сессию исследования, вертикальные отрезки у квадратов обозначают границы доверительных интервалов, с надежностью 0.95 накрывающих индивидуальные средние арифметические значения ОО

Результаты интегрирования энерготрат за 240 сут изоляции представлены в табл. 2. В целях сравнения с нормальными условиями на том же временнóм интервале вычисляли площади прямоугольных фигур, образованных осью абсцисс и горизонтальными прямыми на уровнях индивидуальных средних фоновых энерготрат.

Таблица 2. Изменения ОО у добровольцев SIRIUS-21 (ккал/кг за 240 сут)

Примечание: ОО – основной обмен, НУ – нормальные условия, УИ – условия изоляции.

При сравнении результатов интегрирования определили, что за весь период изоляции уровень ОО у добровольцев снизился в среднем на 785 ккал/кг массы тела, т. е. на 13% по сравнению с фоном (табл. 2).

Переходя к совокупным (валовым) оценкам для всего экипажа обнаружено, что в условиях изоляции ОО составил 1978 мкал за 240 сут, что в среднем на 439 мкал ниже по сравнению с нормальными условиями фона (табл. 3). Воспользовавшись калорическим эквивалентом 4.825 ккал на 1 литр потребленного O₂, вычислили, что экипаж из 5 чел. потребил в покое за 240 сут изоляции 410 кЛ O₂, что на 91 кЛ меньше по сравнению с нормальными условиями фона за такой же период. Снижение уровня ОО и потребления кислорода в условиях модельной изоляции в герметичном объекте известно из литературы и объясняется снижением общего уровня двигательной активности [17, 29]. Механизмы данного явления требуют дальнейшего изучения. Полученные нами данные развивают результаты работы [20].

Таблица 3. Валовый ОО у экипажа SIRIUS-21 (мкал/240 сут) в НУ и УИ

Примечание: обозначения см. табл. 2.

В целях удобства сравнения и поиска общих закономерностей поместили графические интерпретации индивидуальных полиномиальных моделей динамики ОО за весь период эксперимента на один рисунок (рис. 2). Очевидно, что у всех добровольцев в условиях изоляции – близкие по времени локальные минимумы и максимумы интенсивности ОО. Далее сопоставили время обнаруженных локальных максимумов энерготрат с календарным временем. Наблюдается общий рост уровней ОО на границе календарных сезонов и достижение локальных максимумов ОО в весенний календарный сезон у всех добровольцев.

Рис. 2. Кривые – графические интерпретации полиномов 7-го порядка, аппроксимирующих средние значения удельного основного обмена добровольцев K, I, B, L, M за весь период эксперимента SIRIUS-21. Вертикальные линии (t₁ = 28, t₂ = 116.5, t₃ = 208 сут изоляции) обозначают начала и окончания календарных сезонов: зимы и весны 2022 г.

В результате интегрирования энерготрат покоя на интервалах двух календарных сезонов нами установлено, что у всех добровольцев в весенний календарный сезон уровень основного обмена оказался выше, чем в зимний календарный сезон, в среднем на 221 ккал/кг за 90 сут, или на 10%. Результаты интегрирования энерготрат представлены в табл. 4.

Таблица 4. Сезонные уровни удельного основного обмена (ОО) у добровольцев SIRIUS-21

Согласно примененной полиномиальной модели локальные минимумы основного обмена наблюдались в зимний календарный сезон в диапазоне 46–81 сут изоляции, а локальные максимумы основного обмена наблюдались в весенний календарный сезон в диапазоне 128–156 сут изоляции. Началу календарной весны (1 марта 2022 г.) соответствовали 117 сут изоляции. Таким образом, сезонный ритм ОО в условиях изоляции от геофизических факторов сохранился, по крайней мере, в течение 2 календарных сезонов у всех членов экипажа. Данный результат развивает и дополняет результаты, полученные в работе [35]. Исследования сезонных изменений ОО в связи с гормональной регуляцией энергетического обмена продолжаются авторами настоящей работы в ходе годовой изоляции 2023/2024 гг. у гендерно-смешанного экипажа из 6 чел. в эксперименте SIRIUS-23.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе установлено обратимое снижение интенсивности ОО у гендерно-смешанного экипажа из 5 чел. в условиях длительной изоляции в гермообъекте с умеренно гиперкапнической искусственной газовой средой. При этом величина основного обмена у добровольцев в условиях изоляции снижалась на 6 ккал/кг/сут. Валовое снижение основного обмена у всего экипажа из 5 чел. по сравнению с фоном составило 439 мкал за 240 сут изоляции. Этому соответствовало валовое снижение потребления экипажем кислорода на 91 кЛ за 240 сут. Совокупная теплопродукция экипажа в покое оценена в 1978 мкал за 240 сут изоляции в гермообъекте. Этому соответствует совокупное потребление кислорода у всего экипажа из 5 чел. в покое 410 кЛ за 240 сут. В условиях изоляции от действия сезонных геофизических факторов внешней среды у всех добровольцев обнаружено увеличение уровня ОО в весенний календарный сезон по сравнению с зимним. Величина индивидуального прироста между зимним локальным минимумом ОО и весенним локальным максимумом ОО составила в среднем 4 ккал/кг/сут. Прирост уровня ОО у добровольцев весной составил в среднем 221 ккал/кг за 90 сут по сравнению с зимним календарным сезоном.

Финансирование работы. Работа выполнена в рамках научной темы РАН FMFR-2024-0038.

Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ – Институтом медико-биологических проблем РАН (Москва), протокол № 539 от 17.03.2020 г.

Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности. Авторы выражают благодарность добровольцам экипажа SIRIUS-21 за ответственное выполнение методики эксперимента.

Вклад авторов в публикацию. Р.Н. Зарипов, А.В. Демин – планирование, организация и проведение эксперимента, физиологические измерения, редактирование статьи. А.В. Демин – анализ данных, написание статьи.

Об авторах

А. В. Демин

Автор, ответственный за переписку.
Email: a_demin2005@mail.ru
Россия, Москва

Р. Н. Зарипов

Email: a_demin2005@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Графические интерпретации динамики основного обмена (ОО) за 240 сут в нормальных условиях и в условиях изоляции у 5 добровольцев K, I, B, L, M. Кривые – графические интерпретации полиномов 7-го порядка, аппроксимирующих средние значения удельного ОО у добровольцев в фоне, изоляции и последействии. Горизонтальные линии – индивидуальные фоновые уровни ОО при нормальных условиях. Вертикальные линии обозначают начало (t1 = 0) и окончание (t2 = 240) периода изоляции. Черные квадраты – средние арифметические результатов измерений ОО за каждую сессию исследования, вертикальные отрезки у квадратов обозначают границы доверительных интервалов, с надежностью 0.95 накрывающих индивидуальные средние арифметические значения ОО

Скачать (387KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Кривые – графические интерпретации полиномов 7-го порядка, аппроксимирующих средние значения удельного основного обмена добровольцев K, I, B, L, M за весь период эксперимента SIRIUS-21. Вертикальные линии (t1 = 28, t2 = 116.5, t3 = 208 сут изоляции) обозначают начала и окончания календарных сезонов: зимы и весны 2022 г.

Скачать (124KB)

Метаданные