Z udziałem 43 mężczyzn przeprowadzono badania polegające na wykonywaniu modelowego wysiłku w warunkach neutralnych oraz symulowanej wysokości 2.000, 3.000 i 4.100 m npm. Wydatki kosztu energetycznego obliczono za pomocą kalorymetrii pośredniej. W wyniku badań stwierdzono, że wysiłek fizyczny wykonywany w warunkach niedotlenienia wysokościowego powoduje w strefie pełnej kompensacji istotny, ale umiarkowany wzrost kosztu energetycznego.

Natomiast wysiłek wykonywany w progu zaburzeń powoduje duże obciążenie ustroju wyrażające się między innymi znacznym wzrostem kosztu energetycznego.


Podczas wysiłku fizycznego zapotrzebowanie na tlen jest proporcjonalne do jego intensywności. Równolegle ze zwiększeniem zapotrzebowania na tlen wzrasta pobieranie tlenu przez ustrój. Pobieranie tlenu z powietrza natomiast zwiększa się stopniowo w ciągu pewnego czasu, niezbędnego do zwiększenia czynności przede wszystkim układu oddechowego i krążenia [1, 2, 10, 19].

 

fot: dlapilota.pl

 

fot: dlapilota.pl

W warunkach niedotlenienia wysokościowego, a więc obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu w otaczającym powietrzu, pokrycie zapotrzebowania na tlen wymaga również zwiększenia czynności układu oddechowego i krążenia, określonego jako adaptacja ustroju do zmienionego środowiska zewnętrznego. Wykonywanie wysiłków fizycznych określanych jako submaksymalne stawia wtedy przed ustrojem zwiększone wymagania adaptacyjne. Wytworzony deficyt tlenowy jest większy, wykonywanej zaś pracy towarzyszy hipoksja zwana przez autorów hipoksją wysiłkową [4, 6, 9]. Powstający po zakończeniu wysiłku fizycznego dług tlenowy jest również większy a czas jego utrzymywania się, dłuższy [9, 10].
Wysiłki fizyczne submaksymalne wykonywane w warunkach znaczniejszego niedotlenienia wysokościowego, na przykład w strefie zwanej w medycynie lotniczej „strefą niepełnej kompensacji" (wysokość 4 000—6 000 m npm.), mogą powodować utrzymywanie się deficytu tlenowego podczas całego wysiłku, gdyż zapotrzebowanie tlenowe przekracza zdolności pobierania tlenu przez ustrój. Występuje podobna sytuacja jak przy wykonywaniu wysiłków fizycznych określanych w medycynie sportowej jako wysiłki supramaksymalne [2, 9,14,15].


Wykonywanie wysiłków fizycznych w warunkach niedotlenienia wysokościowego wpływa na stopień powstającej wtedy hipoksji wysiłkowej, wielkość wykonywanej pracy całkowitej i ogólną wydolność fizyczną, przez którą należy rozumieć tolerancję zmian zmęczeniowych i zdolność do szybkiej ich likwidacji [4, 6, 7, 13, 16, 19].


Udział substratów energetycznych w czasie wysiłku w warunkach niedotlenienia wysokościowego jest również różny i zmienia się w zależności od intensywności i czasu trwania wysiłku [3, 5, 8, 11]. Interesujące staje się więc zagadnienie wydatku energetycznego w czasie wysiłków fizycznych submaksymalnych, wykonywanych w warunkach niedotlenienia wysokościowego. Czy w strefie pełnej kompensacji, określanej stopniem obniżenia ciśnienia atmosferycznego od wysokości 2.000 do 4.000 m npm, na symulowanej wysokości odpowiadającej progowi pobudzeń (wys. około 2.000 m npm), w połowie tej strefy (wysokość 3.000 m npm), oraz w progu zaburzeń (wys. około 4.000 m npm), istnieją istotne różnice wielkości wydatku energetycznego w czasie wykonywania wysiłków fizycznych? Innymi słowy, czy w strefie umownie nazwanej w medycynie lotniczej strefą pełnej kompensacji submaksymalny wysiłek, na różnych wysokościach mieszczących się w tej strefie, stanowi różne obciążenie dla ustroju wyrażające się wielkością wydatku energetycznego?
W celu dopowiedzi na powyższe pytanie przeprowadzono badania z udziałem ludzi wykonujących modelowy wysiłek submaksymalny w komorze niskich ciśnień.

 

Metodyka badań


Badania przeprowadzono z udziałem 43 zdrowych ochotników w wieku 23,2 ±1,6 lat, nie adaptowanych do wysiłku fizycznego w warunkach obniżonego ciśnienia atmosferycznego. Badani poddawani byli jednakowemu submaksymalnemu wysiłkowi fizycznemu w odstępie co najmniej 2 dni w warunkach neutralnych (115 m npm) oraz w komorze niskich ciśnień na wysokości odpowiadającej 2.000 m npm (11 osób), 3.000 m npm (23 osoby) i 4.100 m npm (9 osób). Temperatura otaczającego powietrza w czasie badań zarówno w warunkach neutralnych jak i w komorze niskich ciśnień wynosiła od 19 do 24°C. Po 15-min. adaptacji do hipoksji badani wykonywali 18 min. wysiłek fizyczny na ergometrze rowerowym firmy Siemens, sterowanym automatycznie przez Fizjotest IV, produkci WIML-Medipan. Wyniki rejestrowano na drukarce Fiji—PD80. Całkowita praca wynosiła 122,86 kJ. Po 3-min. rozgrzewce z obciążeniem wynoszącym 50 Watt, co 2 min. następowało zwiększenie obciążenia o 13 Watt do osiągnięcia 141 Watt. Następował wtedy okres pracy z obciążeniem stałym (5 min.). Po wysiłku, badani mieli 3-min. okres restytucji.
W czasie całego badania przy pomocy aparatu Ergo-Oxyscreen Jaeger rejestrowano wskaźniki krążeniowo-oddechowe: częstość skurczów serca, częstość oddechów, wentylację minutową, pobór tlenu, wydalanie dwutlenku węgla oraz wyliczano tętno tlenowe i współczynnik oddechowy. Badania wydatku energetycznego ustroju wykonywano za pomocą kalorymetrii pośredniej, polegającej na pomiarze ilości pobieranego przez ustrój tlenu. Zasada tej metody opiera się na zależności między szybkością pobierania tlenu przez ustrój a ilością energii uwalnianej w procesach utleniania.


Ocenę wydatku energetycznego dokonano., mierząc objętość pobranego przez ustrój tlenu i wydalanego CO2, wartość RQ i mnoza: objętość pobranego tlenu przez odpowiedni równoważnik energetyczny:
- Pobierany tlen obliczono ze wzoru (2):


VO2=((100-FeO2-FeCO2)/(100-FiO2))(FiO2-FeO2)*Vc*10-2


gdzie:

VO2 — pobieranie tlenu w l/min.
FeO,— zawartość procentowa tlenu w powietrzu wydychanym,
FeCO2 — zawartość procentowa C02 w powietrzu wydychanym,
FiO2 — zawartość procentowa tlenu w powietrzu wdychanym,
Vc — wentylacja minutowa w l/min.

Objętość powietrza zredukowano do tzw. warunków normalnych (STPD), biorąc pod uwagę aktualne ciśnienie barometryczne, temperaturę powietrza i ciśnienie pary wodnej — według odpowiednich tabel.
Wyniki poddano analizie statystycznej, obliczając wartości średnich arytmetycznych i odchyleń standardowych. Analizę statystyczną wykonano przy pomocy testu Studenta z wykorzystaniem programu Statgraphic.

 

Uzyskane wyniki


Koszt energetyczny wysiłku fizycznego, wykonywanego w symulowanych warunkach odpowiadających wysokości 2.000 m npm, wykazywał tendencję do zwiększania się, jednak uzyskane wyniki, w porównaniu do kosztu energetycznego wysiłku wykonywanego w warunkach neutralnych (115 m npm), były statystycznie nieistotne. W tab. I przedstawiono wyniki równoważnika i kosztu energetycznego w czasie wysiłku fizycznego wykonywanego w warunkach neutralnych i na wysokości 2.000 m npm.


Tabela I: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 2000 m npm)Tabela I: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 2000 m npm)


Koszt energetyczny wysiłku fizycznego wykonywanego w warunkach odpowiadających wysokości 3.000 m npm wykazał większe zmiany w porównaniu do takiego samego wysiłku wykonywanego w warunkach neutralnych (115 m npm). Uzyskana różnica w fazie obciążenia stałego jest statystycznie istotna na poziomie p < 0.05. W tab. II przedstawiono wyniki równoważnika i kosztu energetycznego wysiłku fizycznego wykonywanego w warunkach neutralnych i na symulowanej wysokości 3.000 m npm.
Największe różnice kosztu energetycznego wysiłku fizycznego, wykonywanego na symulowanej wysokości, w stosunku do takiego samego wysiłku, wykonywanego w warunkach neutralnych (115 m npm), zaobserwowano na wysokości 4.100 m npm. Jest to wysokość, która według mianownictwa przyjętego w medycynie lotniczej znajduje się między strefą pełnej i strefą niepełnej kompensacji. Wysiłek fizyczny, wykonywany na tej wysokości, wymagał znacznie większego kosztu energetycznego i różnice stwierdzane w fazie narastania obciążenia, obciążenie stałego i restytucji są statystycznie istotne na poziomie p < 0,05.


 Tabela II: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 3000 m npm)Tabela II: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 3000 m npm)


Tabela III: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 4100 m npm)Tabela III: Równoważnik i koszt energetyczny w czasie wysiłku fizycznego (wysokość 4100 m npm)


W tab. III przedstawiono wyniki równoważnika i kosztu energetycznego wysiłku fizycznego, wykonywanego w warunkach neutralnych i na symulowanej wysokości 4.100 m npm.


Analiza kosztu energetycznego przy wykonywaniu wysiłku fizycznego na różnych wysokościach wykazuje, że obniżenie ciśnienia barometrycznego i parcjalnego tlenu w otaczającym powietrzu do wartości odpowiadających wysokości 2.000 i 3.000 m npm nie powoduje między nimi istotnych zmian. Natomiast na wysokości 4.100 m npm koszt energetyczny wysiłku fizycznego w porównaniu z kosztem stwierdzanym na wysokościach 2.000 i 3.000 m npm jest, w fazie obciążenia stałego i restytucji, statystycznie istotnie większy (p< 0.05). Na ryc. 1 przedstawiono graficznie koszt energetyczny wysiłku fizycznego wykonywanego na poszczególnych wysokościach.
Przyrost delty częstości skurczów serca, będącej różnicą między średnią wartością przed wysiłkiem i średnią wartością w czasie wykonywania wysiłku fizycznego, na wysokościach 2.000, 3.000 i 4.100 m npm wykazują podobnie jak wielkość kosztu energetycznego, w fazie obciążenia stałego i restytucji, statystycznie istotne różnice (p < 0.05) między wynikami stwierdzanymi na wysokości 4.000 m npm a wynikami na 2.000 i 3.000 m npm.

Na ryc. 2 przedstawiono deltę przyrostu częstości skurczów serca w czasie wykonywania wysiłku fizycznego na symulowanych wysokościach 2.000, 3.000 i 4.100 m npm.


Ryc. 1. Koszt energetyczny wysiłku fizycznego wykonywanego na wysokościach – 2000, 3000 i 4100 m npm
Ryc. 1. Koszt energetyczny wysiłku fizycznego wykonywanego na wysokościach – 2000, 3000 i 4100 m npm

 

 Ryc. 2. Delta przyrostu częstości skurczów serca w czasie wysiłku fizycznego na symulowanych wysokościach
Ryc. 2. Delta przyrostu częstości skurczów serca w czasie wysiłku fizycznego na symulowanych wysokościach


Przyjmuje się, że wartość tętna tlenowego może być miarą wydolności, obciążenia i miarą wielkości zmęczenia spowodowanego pracą fizyczną. Delta zmian tętna tlenowego, będąca różnicą między wielkością tętna tlenowego w warunkach spoczynku a wielkością uzyskaną w czasie wysiłku fizycznego wykonywanego na poszczególnych, symulowanych, wysokościach, wykazała statystycznie istotne różnice we wszystkich fazach wysiłku fizycznego między wysokością 2.000 i 4.100 m npm (p < 0.05). Natomiast w fazie spoczynkowej, po 15-min. adaptacji na danej wysokości, istotne różnice stwierdza się w zmianach delty tętna tlenowego między wynikami uzyskanymi na wysokościach 2.000 i 3.000 m npm oraz wysokością 4.100 m npm (p < 0.05). Inne różnice delty tętna tlenowego wykazują tendencję do zmniejszania się lub zwiększania, jednak uzyskane wyniki są statystycznie nieistotne.

 

Ryc. 3. Zachowanie się delty tętna tlenowego w czasie wysiłku fizycznego, na poszczególnych wysokościach

Ryc. 3. Zachowanie się delty tętna tlenowego w czasie wysiłku fizycznego, na poszczególnych wysokościach


Na ryc. 3 przedstawiono zachowanie się delty tętna tlenowego w czasie wysiłku fizycznego wykonywanego na poszczególnych, symulowanych, wysokościach.

 

Omówienie wyników


Obniżenie ciśnienia parcjalnego tlenu w otaczającym powietrzu do wartość 596 mm Hg—795 hPa (2.000 m npm) nie spowodowało zmian wielkości kosztu energetycznego wykonywanego wysiłku fizycznego w porównaniu do wielkość kosztu energetycznego wysiłku w warunkach neutralnych. Wysokość do 2000 m npm stanowi tzw. strefę obojętną dla ustroju [6, 9]. Wcześniej wykonywane prace [4, 6, 12, 15, 16] również nie wykazały statystycznie istotnych zmian badanych parametrów fizjologicznych w tych warunkach, potwierdzając możliwości bardzo dobrej adaptacji ustroju do zmieniających się w zakresie tej wysokości parametrów fizycznych.


Wysokość 3.000 m npm (526 mm lig — 701 hPa),odpowiadająca strefie pełnej kompensacji, stanowi swojego rodzaju „modelową" wysokość do badań odporności ustroju na wpływ niedoboru tlenu i wysiłku fizycznego [13]. Jak wynika z przeprowadzonych badań, statystycznie istotny wzrost kosztu ener-getycznego wykonywanego wysiłku fizycznego występował jedynie w fazie stałego obciążenia. Wynik ten może świadczyć o tym, że ustrój przebywający w takim środowisku wykazuje pełną adaptację. O dobrej adaptacji do tych warunków mogą również świadczyć wyniki zachowania się delty tętna tlenowego, nie wykazujące statystycznie istotnych zmian zarówno w porównaniu do wyników uzyskanych w warunkach neutralnych, jak i na wysokości 2.000 m npm. Wysiłek fizyczny może jednak na tej wysokości stanowić duże obciążenie dla ustroju, o czym świadczą wyniki prac przeprowadzone przez innych badaczy [4, 9, 15].
Wysokość 4.100 m npm (456 mm lig —608 hPa), będąca początkiem strefy niepełnej kompensacji, w warunkach spoczynkowych wykazuje jeszcze dobrą adaptację ustroju (brak zmian wielkości przyrostu częstości skurczów serca, zmian delty tętna tlenowego), jednak wykonywany wysiłek fizyczny spowodo-wał w przeprowadzonych badaniach znaczny wzrost wielkości kosztu energetycznego. Statystycznie istotne wyniki stwierdzono w fazie narastania obciążenia, w fazie obciążenia stałego i w okresie restytucji. Różniły się one od wyników uzyskanych w warunkach neutralnych (115 m npm) od 27 do 54%. Przeprowadzone wcześniej badania wysiłkowe na tej wysokości wykazały również szereg istotnych zmian. Między innymi wzrost częstości skurczów serca, ciśnienia tętniczego krwi, zmiany wentylacji, przyrost stężenia mleczanu i pirogronianu we krwi oraz stężenia glukozy itp. [9, 14, 15]. Stwierdzany, w przeprowadzanych własnych badaniach, wzrost kosztu energetycznego wysiłku wykonywanego w warunkach strefy niepełnej kompensacji na wysokościach odpowiadających tzw. progowi zaburzeń jest spowodowany, między innymi, przesunięciem się współczynnika RQ od wartości 0,76-0,82 do 1,05-1,12. W wykonywanym wysiłku fizycznym w warunkach neutralnych, trwającym 18 min., udział procesów beztlenowych (oceniając po czasie trwania wysiłku) wynosił w przybliżeniu około 6-10%, zaś procesów tlenowych około 90-95% [2, 11, 18]. Należy więc sądzić, że w pokryciu zapotrzebowania energetycznego znaczącą rolę odgrywały substraty wychwytywane z krwi, takie, jak glukoza i FFA [2, 3, 8, 17]. Zużycie większej ilości substratów tłuszczowych pociągało jednak za sobą większe zużycie tlenu, gdyż dla uzyskania takiej samej ilości energii przy utlenianiu FFA potrzeba więcej tlenu. Ponieważ wysiłek fizyczny był wykonywany w warunkach niedoboru tlenu (strefa niepełnej kompensacji), stworzyło to dla ustroju utrudnienie dla procesów adaptacyjnych, obejmujących aie tylko zwiększenie czynności układów krążenia i oddychania, lecz również umiany stężenia i aktywności enzymów oddechowych i nukleotydów pirydynowych, nasilenia beztlenowych procesów glikolitycznych, zwiększenia aktywności transportu chemicznego krwi i stymulacji syntezy białka i kwasów nukleinowych [6]. Utrudniło więc tolerancję ustroju do niedotlenienia wysokościowego, odpowiadającego wysokości 4.100 m npm.

W warunkach badania w niedotlenieniu wysokościowym obserwowano również znaczny przyrost delty częstości skurczów serca, które w fazie wysiłku stałego osiągały wartości 185-195 uderzeń ma min. Stanowiło więc dla badanych osobników tętno maksymalne [2, 10]. Wykonywany wysiłek fizyczny stał się w tym wypadku wysiłkiem maksymalnym, wysiłkiem, którego czas wykonywania jest ograniczony. Statystycznie istotne zmiany delty tętna tlenowego, obserwowane w przeprowadzonych badaniach na wysokości 4.100 m npm w stosunku do zmian uzyskanych na wysokościach 2000 i 3000 m npm. wskazują na fakt znacznego obciążenia i znaczny stopień zmęczenia wysiłkiem fizycznym wykonywanym na tej wysokości [4, 9, 14, 15]. Stwierdzono znaczny wzrost kosztu energetycznego wysiłku wykonywanego w warunkach niedotlenienia wysokościowego odpowiadającego wysokości 4.100 m npm. Wzrost częstości skurczów serca do wartości odpowiadających wielkościom maksymal-nym oraz znaczne zmiany delty tętna tlenowego wydają się świadczyć o tym, że wykonywanie wysiłków fizycznych w strefie progu zaburzeń, będącej początkiem strefy niepełnej kompensacji dla ludzi przebywających w tych warunkach w spoczynku, jest niewskazane i może prowadzić do nieprzewidzianych komplikacji z możliwością wystąpienia choroby wysokościowej. Szczególne znaczenie ma to dla pilotów, mogących się znaleźć w takich warunkach w razie awarii samolotu*.
Wnioski

1. Wysiłek fizyczny wykonywany w warunkach niedotlenienia wysokościowego powoduje zarówno w strefie pełnej kompensacji, jak i w warunkach progu zaburzeń, wzrost kosztu energetycznego w stosunku do takiego samegc wysiłku wykonywanego w warunkach neutralnych (115 m npm).
2. Wysiłek fizyczny wykonywany w warunkach progu zaburzeń (4.10( m npm) powoduje znaczny wzrost kosztu energetycznego we wszystkich fazach stosowanego wysiłku oraz w okresie restytucji.
3. Znaczny wzrost kosztu energetycznego, obserwowany w czasie wysiłki fizycznego w warunkach progu zaburzeń, będącym początkiem strefy niepełne kompensacji, może świadczyć o maksymalnym obciążeniu ustroju i stanom zagrożenie dla osób badanych w tych warunkach.

*)Autor wyraża podziękowanie dr med. Wojciechowi Dębińskiemu oraz dr med. Mariuszowi Żebrowskiemu za udział w badaniach w warunkach obniżonego ciśnienia w komorach niskich ciśnień.

L. GOLEC
Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej w Warszawie

Piśmiennictwo

1.Chwalbińska-Moneta J., Próg akumulacji mleczanu w mięśniach i we krwi podczas progresywnej wysiłku fizycznego, „Sport Wyczynowy", 1990, 5/6. 51—60.
2. Dziak A., Nazar K., Medycyna sportowa. W-wa 1991, 36—65.
3. Evans W. J., Fisher E. C., Hoerr R. A., Protein metabolism and endurance exercise, „Phy Sportsmed." 1988, 11, 7, 63-72.
4. Frisancho A. A., Functional adaptation to high altitude hypoxia, „Science", 1985, 187, 313-31'
5. Garrow J. S., Energy and exercise, „Sport and Nutrition", 1991, 1, 6-11.
6. Golec L., Propedeutyka niedotlenienia wysokościowego, „Postępy Medycyny Lotn." 1991, 1-66.
7. Golec L., Markiewicz L., Tolerancja ostrego niedotlenienia w zależności od wydolności fizyczn* „Post. Astronautyki", 1989, 22, 55—61.
8. Hawley J. A., Dennis S. C., Laider B. J., Bosch A. N., High rates of exogenous carbohydrate oxidation from starch ingested during prolonged exercise, „Sport Research", 1991, 1, 42-46.
9. Heath D., Williams D. R., High altitude medicine and pathology. Butterworths. London 1989, 93-146.
10. Kozłowski St., Nazar K., Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. PZWL. W-wa 1985, 62-99.
11. Kuipers H., Keizler H. A., Brouns F., Saris W. H., Carbohydrate feeding and glycogen synthesis during exercise in man, „Europ. Journ. of Physiol.", „Pflugers Arch." 1987, 410, 652—656.
12. Markiewicz L., Golec L., Dębiński W., Gembicka D., Żebrowski M., Wpływ wysiłku fizycznego wykonywanego na wysokości 2.420 i 3.590 m npm na niektóre wskaźniki układu krążeniowo-oddechowego, „Med. Lotn." 1987, 96, 8—15.
13. Markiewicz L., Golec L., Dębiński W., Gembicka D., Reakcje fizjologiczne i biochemiczne u ludzi podczas pracy w warunkach obniżonego ciśnienia barometrycznego (701 hPa), „Wych. Fiz. i Sport." 1990, 34, 2, 3—15.
14. Markiewicz L., Gembicka D., Golec L., Kuzak W., Żebrowski M., Krążeniowo-oddechowe i metaboliczne reakcje na wysiłek fizyczny wykonywany w niedotlenieniu wysokościowym (608 hPa), „Wych. Fiz. i Sport", 1990, 34, 3, 25—34.
15. McLellan T., Jacobs I., Lewis W., Acute altitude exposure and altered acid-base states. II. Effects on exercise performance and muscle and blood lactate, „Eur. Journ. Appl. Physiol." 1988, 57, 445—451.
16. Pendergast D., The effect of high altitude on oxygen transport during exercise, „Med. Sci. Sports. Exerc." 1988, 20, 171—176.
17. Saris W. H., van Erp-Baart M. A., Brouns F., Westerterp K. R., Ten Hoor F., Study on food intake and energy expenditure during extreme sustained exercise: The Tour de France „Intern. Journ. Sports Med." 1989, 10, 26-31.
18. Schneider H., Brauns F., Saris W. H., A rationale for elektrolyte replacement during endurance exercise, „Med. Science Sports Med." 1991, 23, 4, 128—136.
Traczyk Z. W., Trzebski A., Fizjologia człowieka z elementami fizjologii klinicznej i stosowanej. PZWL. W-wa 1990.