Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях загрязнение окружающей среды, в особенности атмосферы, различными высокотоксичными отходами и тяжелыми элементами, приводит к увеличению вероятности возникновения различных функциональных нарушений, сопровождающихся гипоксическими состояниями различного вида и тяжести.
Вместе с тем известно, что профессиональная деятельность летчиков, альпинистов, спортсменов и ряда других профессий, часто испытывающих экстремальные ситуации, также связана с гипоксией, а иногда и с возникновением острого кислородного голодания (Н.А.Агаджанян, 1967-1995; В.Б.Малкин, 1977 и др.).
В последнее время большое внимание уделяется клинико-физиологическому изучению механизмов различных патологических состояний, в частности выявлению причин внезапной смерти, возникающей в экстремальных условиях, при стрессе, в послеоперационном периоде, что по мнению ряда исследователей (Ю.Н.Шанин, 1978; М.М.Петрова, 1982; Г.А.Рябов, 1979-1988) бывает также связано с гипоксией. Для защиты организма от действия многочисленных экстремальных факторов и повышения его неспецифической устойчивости применяют тренировки в барокамерах, адаптацию к гипоксии в высокогорье или фармакологические препараты (антигипоксанты) (Н.Н.Сиротинин, 1965; Н.А.Агаджанян, М.М.Миррахимов, 1970; Г.А.Рябов, 1988 и др.).
Для изучения влияния гипоксии на различные системы организма, изучения механизмов адаптации к кислородному голоданию исследователи проводят большое количество дорогостоящих экспериментов в барокамерах на животных, а в некоторых случаях "тестируются" и люди. Сравнительно недавно было обнаружено, что одинаковые воздействия вызывают различные реакции у особей, отличающихся по устойчивости к гипоксии: идентичные дозы судорожных препаратов вызывают большие эпилептиформные изменения у низкоустойчивых животных (Н.А.Агаджанян, В.И.Торшин, 1983); защитное действие большинства антигипоксантов проявляется лишь у низко- и среднеустойчивых и не выражено у высокоустойчивых особей (Л.Д.Лукьянова и соавт., 1988); результаты адаптации к гипоксии также в значительной степени зависят от исходной резистентности организма (Н.А.Агаджанян, А.И.Елфимов, 1986; В.Б.Кошелев, 1990). Эффективность барокамерных экспериментов и показатели устойчивости животных к острой гипоксии обычно определяются по методике, предложенной В.А. Березовским (1978). Согласно этой методике и другим ее модификациям, селекция животных (крыс) на низкоустойчивых (НУ), среднеустойчивых (СУ) и высокоустойчивых (ВУ) к гипоксии осуществляется по времени жизни (ВЖ) на высоте 11 тыс.м. Границы
между указанными группами определяются, как +/- 30% отклонение от среднеарифметического значения ВЖ для всей массы испытанных в один и тот же период времени животных. Относительно среднеарифметического значения ВЖ границы устанавливаются на одинаковом интервале и в случае изменения среднего соответственно сдвигаются. Известные на данный момент методики, использующие стандартные методы линейной математической статистики, ограничены в анализе данных с большими (более 100 раз) разбросами из-за неопределенности среднего и не позволяют достоверно сравнивать результаты разных экспериментов.
В связи с этим, представляется актуальным построение обобщенной модели оценки ВЖ организма при острой гипоксии, поиск новых критериев устойчивости и способов сравнения результатов разных экспериментов. Более тщательное планирование экспериментов, оптимизация их количества и обработка результатов в рамках единой математической модели позволят получить новую информацию с большей точностью и без дополнительных затрат.
Цель и задачи исследования. В настоящей работе поставлена цель: создать совершенную математическую модель, характеризующую устойчивость популяции животных к действию острой гипоксии; выявить при помощи строгого математического анализа результатов физиологических исследований критерии, наиболее полно характеризующие групповую устойчивость, индивидуальную резистентность, устойчивость при повторном тестировании и определить факторы, позволяющие прогнозировать ВЖ при повторном тестировании, а также учесть влияние на результаты экспериментов хронодинамических вариаций основных показателей устойчивости.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать новые методики обработки результатов барокамерных экспериментов по исследованию показателя высотной устойчивости животных;
-
Применить хронодинамический подход при анализе экспериментов по исследованию воздействия острой гипоксии на организм животных;
-
Разработать критерии индивидуальной и групповой устойчивости организма к острой гипоксии;
4. Разработать прогностический метод определения
резистентности животных к острой гипоксии при повторном
тестировании.
Основные результаты и новизна исследования. Применение предложенных в работе новых методик позволило количественно оценить результаты экспериментов; это дало возможность численно сравнить и обобщить большое количество данных, что позволило получить временные характеристики вариации показателей устойчивости животных к острой гипоксии в рамках единой
-3-хронодинамической модели, а также критерии групповой и индивидуальной устойчивости. Впервые математически строго доказано, что количество низкоустойчивых особей в популяции равно количеству высокоустойчивых особей.
При обработке результатов экспериментов нами, в отличие от применяемых ранее методик, учитывались все погибшие животные, что позволило дать полную объективную оценку всей популяции с учетом смертности и определить вероятности гибели от острой гипоксии для низкоустойчивых, среднеустойчивых и высокоустойчивых особей. Применение корреляционного анализа времени потери позы (ВПП), ВЖ и времени востановления позы (ВВП) позволило получить необходимые для оценки связей параметров устойчивости факторы. В работе показано, что параметры гипоксической резистентности имеют ярко выраженную суточную и достоверно отличимую месячную вариации (периодики). При этом установлено, что вероятность гибели при повторном тестировании ниже, чем при первичном.
Теоретическая и практическая значимость работы. Совокупность полученных данных, их системный анализ и обобщение позволяют сформулировать критерии групповой и индивидуальной (по отношению к группе) устойчивости к острой гипоксии. Полученные критерии дают возможность численно сравнивать результаты разных экспериментов, проведенных в разных условиях, что ранее другими авторами осуществлялось при помощи эмпирических коэффициентов и не давало строго объективных отношений (критериев), а иногда носило субъективный и противоречивый характер. Впервые математически строго доказано, что количество низкоустойчивых особей, в популяции равно количеству высокоустойчивых особей.
В наших исследованиях по определению устойчивости крыс к гипоксии большое внимание уделено экспериментам, в которых животные погибали. После включения в обработку этих данных появилась возможность строго объективно и достоверно оценить среднее время жизни выжившей популяции по отношению к исходной (для крыс Wistar - 1.5 раза). Наблюдаемая в остром гипоксическом эксперименте высокая летальность (до 45%) указывает на чрезвычайную жесткость условий недостатка кислорода соответствующих высоте 11 км. Сравнительный анализ летальности после острого гипоксического эксперимента (высота 11 км.) для крыс Wistar и белых беспородных крыс показал, что беспородные крысы в этих условиях имеют в 10 раз больше шансов выжить.
Анализ корреляционных зависимостей между ВПП, ВЖ и ВВП позволил определить вероятности гибели от острой гипоксии для НУ, СУ и ВУ особей, а также вероятность изменения ВЖ при повторных тестированиях.
Подготовлены методические рекомендации по оптимизации экспериментов, в которых применяют острое гипоксическое воздействие. Предложенная в работе методика позволяет в процессе планирования экспериментов оценить точность измеряемых
-4-физиологических показателей, определить необходимое и достаточное для этого количество животных, установить необходимые временные границы проведения эксперимента и учесть влияние суточных и месячных ритмов на показатели устойчивости организма к гипоксии. Все это позволит получить не только более объективные данные, но и сократить время, необходимое для работы, и значительно уменьшить количество животных. Методика позволяет оценить максимальную ошибку определения показателей устойчивости к острой гипоксии при наиболее неблагоприятных условиях проведения эксперимента.
Обобщение предложенных в работе методик компьютерного анализа получаемых экспериментальных данных может оказаться полезным при определении устойчивости к другим экстремальным факторам, а также при решении важнейших проблем в зонах экологического бедствия.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Установлено, что групповым критерием устойчивости к острой гипоксии, в случае логарифмически-нормального распределения особей по времени жизни, является среднее геометрическое время жизни особей данной популяции.
-
Установлено, что количество низкоустойчивых особей в популяции при острой гипоксии, в случае логарифмически-нормального распределения особей по ВЖ, равно количеству высокоустойчивых особей.
3. Показано соответствие параметра Стьюдента,
характеризующего отклонение величины устойчивости животного от
среднего значения устойчивости популяции с учетом ширины
распределения, индивидуальному критерию устойчивости к острой
гипоксии для данного животного в популяции.
4. При повторном определении устойчивости животных к
острой гипоксии (через час после тестирования) этог показатель
резко увеличивается (в 2.6 раза); затем снижается, достигая
минимума (0.8) через 6-8 часов и восстанавливается к концу первых
суток; в дальнейшем осциллирует, затухая в течение месяца, достигая
максимумов (1.5, 1.49 и 1.2) через 10-13, 17 и 23 суток
соответственно и минимумов (0.9 и 0.97) на 14 и 21 сутки, и
полностью нормализуется через 4-5 недель.
5. Меньшее время востановления позы при первом
тестировании указывает на сохранение достаточных резервов и
меньшую вероятность гибели при втором остром гипоксическом
воздействии.
6. Параметры гипоксической резистентности имеют ярко
выраженную суточную (48%) и достоверно отличимую месячную
вариации (30%).
Аппробация работы. Материалы диссертации доложены и
обсуждены на: "IX конференции молодых ученых", УДН, Москва 1986;
"X конференции молодых ученых", УДН, Москва 1987; VII
Всероссийском симпозиуме "Эколого-физиологические проблемы адаптации", РУДН, Москва 1994; II Российском национальном конгрессе "Человек и лекарство", Москва 1995.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь научных работ.
Внедрение. Методики, разработанные в диссертации, имеют практическое применение в научно-исследовательской программе кафедры нормальной физиологии РУДН по изучению влияния острой гипоксии, в обучении студентов (учебное пособие "Компьютерная обработка данных эколого-физиологических экспериментов" - в печати) и нормативных документах, выпускаемых при участии Международной Академии Энергоинформационного обмена, регламентирующих экологически безопасное формирование среды обитания.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, основных глав (методика, результаты исследования и их обсуждение), заключения, выводов, практических рекомендаций, указателя литературы и приложения.
Диссертация изложена на страницах машинописного
текста, содержит рисунков и таблиц. Указатель литературы
включает работ, из которых иностранных авторов.