Существуют огромные перспективы использования данных свойств гибернантов в медицине: хирургии, трансплантологии, кардиологии. Однако, до настоящего времени нет количественных оценок режимов саморазогрева организма гибернантов, нет убедительных сведений о роли сердечно-сосудистой системы в этом процессе, а также о вкладе ЦНС в регуляцию сердечного ритма при пробуждении [3, 7].
Цель настоящей работы состоит в выявлении режимов механизмов разогрева гибернанта в условиях спровоцированного пробуждения и роли ЦНС в этом процессе.
Ниже будет показано наличие у пробуждающегося суслика трёх этапов разогрева организма и трёх, соответствующим этим этапам, режимов регуляции сердечного цикла.
Методика
Исследования выполнены на гибернирующих якутских сусликах Spermophilus undulatus обоих полов массой 594±39 г в период спячки (декабрь – февраль). Для провокации пробуждения, сусликов извлекали из гнезда в середине баута и переносили в помещение с температурой 18оС. Регистрация температуры проводилась ежеминутно. Для регистрации электрокардиограммы у пробуждающегося суслика игольчатые электроды подкожно фиксировали в области лопаток животного. Для оценки температуры сердца (Tc) пробуждающегося суслика на основании собственных измерений ректальной температуры (Tр) использовали результаты ранней работы [4] связывающей значения Тр с Тс.
При анализе электрической активности сердца использовали следующие параметры: время, прошедшее после начала спровоцированного пробуждения (время пробуждения, t, мин) и продолжительность сердечного цикла — R-Rинтервал, (Δ, с.). Обработка всех полученных экспериментальных результатов проведена с применением программного пакета MicrosoftOfficeExcel 2003.
Результаты
Нами экспериментально было показано, что у спровоцировано пробуждающегося суслика, при разогреве от 1,0°С до 37°С, существуют принципиально различные этапы разогрева организма и, соответствующие этим этапам, режимы регуляции сердечного цикла.
На рисунке 2 представлены кривые разогрева тел 6 сусликов при температуре воздуха 18оC. Из данного рисунка следует, что при температуре ниже 10оС зависимости ректальной температуры от времени разогрева для всех особей (№ 1—5) и для трупа (№ 6) были параллельны, т. е. скорости нагрева практически не различались. В диапазоне 10оС—12оС скорости нагрева пробуждающихся сусликов (№ 2, № 5), в отличие от скорости нагрева трупа (№ 6) падали до нуля, а затем через 15—30 мин резко возрастали. Видно, что декапитация при температуре ниже 10оС (особь № 1) практически не влияла на скорость нагрева тела животного. Однако, декапитация при температурах выше 12оС приводила к резкому падению температуры трупа (особи № 2 и № 5) на несколько градусов. Можно предположить, что температура крови у пробуждающегося суслика выше, чем температура других органов. У трупа после декапитации и потери крови градиенты температуры между разными органами и тканями уменьшались, что возможно и приводило к падению ректальной температуры. В дальнейшем скорости разогрева (но не температуры!) всех трупов (особи № 2, № 3, №5 после декапитации), лишённых активных механизмов разогрева, приближались к скорости (0,02—0,04оС/мин) разогрева трупа (№ 6). Следует отметить, что все трупы продолжали нагреваться до температуры окружающего воздуха (18оС).
Для детализации механизмов разогрева суслика при спровоцированном пробуждении были отобраны животные, обладающие одинаковой массой и близкими значениями ректальных температур. Одно животное было умерщвлено сразу, в момент забора. Массы живого суслика и трупа были равны и составляли по 625 г. Разогрев обеих особей начинался примерно с одинаковых в момент забора ректальных температур, 0,9оС и 0,6оС, соответственно (рис. 3).
Для оценки мощности экзогенного механизма разогрева приняли теплоёмкость суслика за теплоёмкость соответствующего количества воды. В этом приближении для нагрева тела суслика на 1оС требуется 625 калорий. Эксперимент показал (рис. 3), что труп суслика разогревался почти на 10оС за первые 100 мин. Затем, по мере приближения ректальной температуры к температуре окружающего воздуха, скорость нагрева падала. Соответственно, максимальную мощность экзогенного нагрева можно оценить величиной порядка 62,5 кал/мин (4,4 Вт). Зависимости ректальных температур от времени нагрева для пробуждающегося суслика и трупа (рис. 3) практически совпадали в течение 100 — 120 мин., а затем резко расходились. Труп разогревался со скоростью 0,04оС/мин. Суслик до температуры 10оС разогревался почти той же скоростью, однако, после включения эндогенного механизма саморазогрева скорость нагрева возрастала до 0,39оС/мин. Следовательно, в этом приближении в организме суслика выделялось 0,35оС/мин×625 калорий=18,75 калорий/мин ≈ 15 Вт. Таким образом, максимальная мощность эндогенного механизма саморазогрева суслика составляла около 15 Вт. Как следует из рис. 3., в начале пробуждения, включался самый ранний эндогенный механизм разогрева животного, который в линейном приближении описывается уравнением ΔTр,оС=0.009t-0,34 и, соответственно, мощность этого механизма не превышала 0,4 Вт.
Через 1 час после спровоцированного пробуждения при Тр 6—7оС (см. рис. 2) (Tc9—11оС (рис. 1)), включался второй механизм разогрева, который в период от 60 до 120 мин в линейном приближении может быть описан выражением: ΔTр,оС=0.02t-0,67 (рис. 2). Такой механизм способен разогревать суслика массой 625 г. со скоростью не меньше 0,02оС/мин, это значит, что в течение 1 минуты в организме суслика (дополнительно к экзогенному нагреву) выделялось 0,02оС/мин×625 калорий=12,5 калорий. Таким образом, мощность этого эндогенного источника разогрева не превышала 1,0 Вт. Запуск данного источника тепла, также как и прекращение его деятельности более отчётливо проявился на рис. 4, где включение и выключение источника саморазогрева животного связано с резким падением разности ректальных температур на 2оС—3оС в течение 10 — 15 минут. Наиболее серьёзные энергетические перестройки метаболизма происходили через 100 — 120 мин после спровоцированного пробуждения при Тр 11оС — 12оС (Тс 19оС — 20оС (рис. 1)), на которую приходится пик метаболической активности [6]. Включение третьего, эндогенного источника происходило после второго падения разности температур через 120—150 мин (рис. 4) ΔTр,оС=0,31t–34,3оС. Что свидетельствует о включении эндогенного источника тепла мощностью порядка 0,31оС/мин×625 калорий/оС=193,75 калорий/мин.≈13,5 Вт. В процессе спровоцированного пробуждения суслика происходило последовательное подключение как минимум 3 эндогенных источников саморазогрева. Важно отметить, что эти 3 этапа чётко разделялись периодами переключения соответствующих источников саморазогрева, когда разность ректальных температур пробуждающегося суслика и трупа (ΔTр, оС) резко падала (рис. 4). Первый источник, мощностью менее 0,4 Вт, включался в начале спровоцированного пробуждения при Тс 1,0оС, второй мощностью около 1,0 Вт – при Тс 10—12оС, а третий, мощностью порядка 13,5 Вт – при Тс 19—20оС. Отметим, что тонкую структуру механизмов саморазогрева удалось зарегистрировать на фоне экзогенного нагрева мощностью до 4,5 Вт благодаря использованию сравнительного калориметрического анализа.
Из рисунка 4 видно, что до температуры 17оС скорости нагрева для всех особей были близки и не превышали 0,2оС/мин., хотя начальные температуры сердец до начала пробуждения наблюдались в диапазоне от 0,6оС до 5,0оС. Затем рост температуры сердца у всех исследованных животных в узком диапазоне 18оС — 20оС прекращался, а через некоторое время, резко увеличивался.
Анализ экспериментальных кривых (рис. 5), выявил узкий диапазон температур сердца суслика (18оС — 20оС), при котором, после непродолжительного плато длительностью 15 — 20 минут, скорость разогрева возрастала до 0,40оС/мин — 0,56оС/мин. При этом, скорости разогрева, а следовательно, мощности саморазогрева у разных особей разнились, как минимум, в 1,5 раза. Отметим, что температурные зависимости у разных особей различались, в то время как температурный диапазон, в котором происходило включение эндогенного механизма саморазогрева не превышал нескольких градусов.
Ранее, на тринадцатиполосном суслике (Spermophilustridecemlineatus), Хэмптон с соавторами [2] на основании теоретических расчётов кардиограмм, полученных от вживленных передатчиков, показали, что пиковый уровень метаболизма у пробуждающихся сусликов достигается при температуре порядка 19°C. Отметим, что критическая температура 18°C — 20°C свойственна обоим видам гибернирующих сусликов, что дает нам основание ожидать наличие аналогичной критической температуры и для других видов гибернантов.
Списоклитературы:
Carey H. V., Andrews M. T., Martin S. L. Mammalian hibernation: cellular and molecular responses to depressed metabolism and low temperature. Physiol Rev. 2003; 83(4): P. 1153-81.
Hampton M., Nelson B. T., Andrews M. T. Circulation and metabolic rates in a natural hibernator: an integrative physiological model. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.2010; 299(6): P. 1478-88.
Hut R. A., Barnes B. M., Daan S. Body temperature patterns before, during, and after semi-natural hibernation in the European ground squirrel. J Comp Physiol B. 2002;172:P. 47-58
Ignat’ev D. A., Sukhova G. S., Sukhov V. P. Analysis of changes in heart rate and temperature of the ground squirrel Citellus undulatus in various physiological states. Zh Obshch Biol. 2001; 62(1):P. 66-77. Russin.
Johansson B. W. The hibernator heart-nature’s model of resistance to ventricular fibrillation. Cardiovasc Res 1996; 31: P. 826 — 832.
Mattu A., Brady W. J., Perron D. Electrocardiographic manifestations of hypothermia. Am J Emerg Med 2002; 20:4: P. 314 — 326.
Milsom W. K., Zimmer M. B., Harris M. Regulation of cardiac rhythm in hibernating mammals. Comparative Biochemistry and Physiology Part A .1999; 124: P. 383—391.
Mouritzen C. V., Andersen M. N. Mechanisms of ventricular fibrillation during hypothermia. Relative changes in myocardial refractory period and conduction velocity. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 1966; 51(4):P. 579—84.
Schwartz C. F., Georges A. G, Gallagher M. A., Le Yu, Kilgore K. S., Bolling S. F.Delta opioid receptors and low temperature myocardial protection. Ann Thorac Surg 1999;68:P. 2089—2092.
Shumakov V.I. Transplantology. М.: «Medicina», 1995. Russian.
Zakharova N. M., Nakipova O. V., Averin A. S., Tikhonov K. G., Solomonov N. G. Changes in force-frequency relationships in cardiac papillary muscles of hibernating ground squirrels under cooling. DoklBiolSci. 2009; 424: P. 21—24.