Реакция на холодный шок

Реакция на холодовой шок — это серия нейрогенных кардиореспираторных реакций, вызванных внезапным погружением в холодную воду .

При погружении в холодную воду, например, при падении сквозь тонкий лед, реакция на холодовой шок, пожалуй, является наиболее распространенной причиной смерти. ^{[ 1 ]} Кроме того, резкий контакт с очень холодной водой может вызвать непроизвольное вдыхание, которое под водой может привести к утоплению со смертельным исходом .

Смерть, наступающую в таких сценариях, сложно расследовать, и существует несколько возможных причин и явлений, которые могут иметь значение. Холодная вода может вызвать сердечный приступ из-за сильной вазоконстрикции . ^{[ 2 ]} где сердцу приходится работать усерднее, чтобы перекачивать одинаковый объем крови по артериям. Для людей с ранее существовавшими сердечно-сосудистыми заболеваниями дополнительная нагрузка может привести к инфаркту миокарда и/или острой сердечной недостаточности , что в конечном итоге может привести к остановке сердца . Реакция блуждающего нерва на такой сильный раздражитель, как этот, в очень редких случаях может сама по себе привести к остановке сердца. Гипотермия и сильный стресс могут спровоцировать фатальные тахиаритмии. Более современная точка зрения предполагает, что вегетативный конфликт — симпатическая (из-за стресса) и парасимпатическая (из-за нырятельного рефлекса) совместная активация — может быть ответственен за некоторые случаи смерти при погружении в холодную воду. Рефлекс дыхания и неконтролируемое тахипноэ могут серьезно увеличить риск вдыхания воды и утопления. ^{[ 3 ]}

Некоторые люди гораздо лучше подготовлены к тому, чтобы пережить внезапное воздействие очень холодной воды, благодаря своим физическим и психическим особенностям, а также обусловленности. ^{[ 1 ]} Фактически, плавание в холодной воде (также известное как плавание в льду или зимнее плавание) — это вид спорта и занятие, которое, как сообщается, может принести пользу для здоровья, если заниматься им регулярно. ^{[ 4 ]}

Физиологический ответ

Синдром погружения в холодную воду — четырехэтапная модель

Физиологическую реакцию на внезапное погружение в холодную воду можно разделить на три или четыре отдельных этапа с различными рисками и физиологическими изменениями, и все они являются частью явления, называемого синдромом погружения в холодную воду. Хотя этот процесс представляет собой непрерывный процесс, первоначально в 1980-х годах его четыре фазы были описаны следующим образом: ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Фаза	Время	Физиологические изменения
Начальный (холодовой шок)	Первые 2–3 минуты	Охлаждение кожи, гипервентиляция, тахикардия, дыхательный рефлекс.
Короткий срок	Через 3 минуты	Поверхностное нервно-мышечное охлаждение.
Долгосрочный	Через 30 минут	Гипотермия, последующий коллапс
Спасательный обвал ( афтердроп )	Непосредственно до, во время или после спасения	Сердечная аритмия, гемостаз, потеря сознания.

Первая стадия синдрома погружения в холодную воду, реакция на холодовой шок , включает в себя группу рефлексов длительностью менее 5 минут у лабораторных добровольцев и инициируемых терморецепторами, ощущающими быстрое охлаждение кожи. Вода имеет теплопроводность в 25 раз, а удельную теплоемкость в 3000 раз больше, чем у воздуха; впоследствии происходит резкое охлаждение поверхности. Основные компоненты рефлекса холодового шока включают удушье, тахипноэ, сокращение времени задержки дыхания и периферическую вазоконстрикцию, причем последний эффект подчеркивает предполагаемый физиологический принцип (т.е. сохранение тепла посредством центрального шунтирования крови). Величина реакции холодового шока параллельна скорости охлаждения кожи, и ее прекращение, вероятно, связано с рефлекторными реакциями барорецепторов или привыканием терморецепторов.

Ныряющий рефлекс

— Нырятельный рефлекс это набор физиологических реакций , которые возникают в ответ на погружение в холодную воду , особенно когда лицо или тело подвергаются воздействию холодной воды. Это эволюционная адаптация , которая помогает млекопитающим , включая человека, справляться с трудностями, связанными с погружением в холодную воду. Рефлекс ныряния более выражен у водных млекопитающих и, как полагают, возник как способ сохранить кислород и повысить способность оставаться под водой в течение более длительных периодов времени.

Ключевые компоненты нырятельного рефлекса включают в себя:

Брадикардия: частота сердечных сокращений значительно снижается, когда лицо подвергается воздействию холодной воды. Это помогает сохранить кислород за счет замедления сердцебиения. Степень брадикардии может варьироваться у разных людей, но это распространенная и хорошо документированная реакция.
Периферическая вазоконстрикция : кровеносные сосуды в конечностях сужаются, уменьшая приток крови к конечностям. Такое шунтирование крови помогает перенаправить ее к важным органам, таким как сердце и мозг , сохраняя кислород для жизненно важных функций .
Апноэ: нырятельный рефлекс вызывает непроизвольную реакцию задержки дыхания ( апноэ ). Это позволяет людям задерживать дыхание на более длительные периоды, повышая их способность оставаться под водой без необходимости немедленно дышать.
Перераспределение крови. Организм перераспределяет кровоток, отдавая приоритет важным органам и сводя к минимуму приток крови к второстепенным областям, таким как кожа и мышцы . Такое перераспределение помогает сохранить тепло и кислород.

Хотя нырятельный рефлекс более выражен у некоторых млекопитающих, его наличие у людей хорошо задокументировано, особенно в условиях холодной воды. Рефлекс более выражен у младенцев и детей раннего возраста, но может наблюдаться у людей всех возрастов. ^{[ 3 ]}

Сердечные аритмии и вегетативные конфликты

Ранние модели синдрома погружения в холодную воду были сосредоточены в первую очередь на симпатических реакциях, однако недавние исследования показывают, что совместная активация симпатической и парасимпатической системы (приводящая к конфликту реакции вегетативной системы) может быть ответственна за некоторые случаи смерти при погружении в холодную воду. Хотя реципрокная активация между симпатической (холодовой шок) и парасимпатической (реакция ныряния) системами обычно является адаптивной (следует друг за другом), одновременная активация, по-видимому, связана с аритмией . Нарушения ритма, вызванные холодной водой, являются обычным явлением, хотя часто протекают бессимптомно. У большинства людей погружение в холодную воду с головой наружу приводит к симпатической тахикардии с различными нарушениями. Эти аритмии, вызванные погружением в холодную воду, по-видимому, усиливаются парасимпатической стимуляцией, возникающей в результате погружения лица в воду или задержки дыхания. Даже вагусно при нырянии, -доминантная брадикардия вызванная изолированным погружением лица в холодную воду, часто прерывается наджелудочковыми аритмиями или экстрасистолией. Теоретически атриовентрикулярная блокада или остановка синусового узла из-за глубокого доминирования парасимпатической системы могут привести к обморок или внезапная сердечная смерть, но эти ритмы имеют тенденцию быстро меняться вспять за счет активации рецепторов растяжения легких, связанных с дыханием. Таким образом, сценарий ареста, вызванный блуждающим нервом, более вероятен во время погружения в ловушку, чем при утоплении со смывом. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Кондиционирование против холодового шока

Можно пройти физиологическую подготовку, чтобы уменьшить реакцию на холодовой шок, и некоторые люди, естественно, лучше подходят для купания в очень холодной воде. К полезным адаптациям относятся следующие:

наличие изолирующего слоя жировой ткани, покрывающего конечности и туловище; ^{[ 1 ]}
способность испытывать погружение без непроизвольного физического потрясения или психической паники; ^{[ 1 ]}
способность противостоять дрожи; ^{[ 1 ]}
способность повышать обмен веществ (а в некоторых случаях повышать температуру крови несколько выше нормального уровня); ^{[ нужна ссылка ]}
генерализованная задержка прекращения метаболизма (включая потерю сознания) по мере падения центральной и периферической температуры тела. ^{[ нужна ссылка ]}

Преимущества и риски погружения в холодную воду

Спортсмены часто используют тактику погружения в холодную воду , чтобы ускорить восстановление мышц и уменьшить воспаление и болезненность после интенсивных тренировок или травм. ^{[ 5 ]}

Есть несколько сообщений о преимуществах регулярного плавания в льду, а именно: ^{[ 4 ]}

Сердечно-сосудистая система: снижение артериального давления.
Эндокринная система: Снижение триглицеридов, Повышение чувствительности к инсулину, Снижение норадреналина, Повышение кортизола.
Психиатрические: антидепрессивный эффект.
Иммунная система: Увеличение лейкоцитов, Увеличение моноцитов, Меньше инфекций.

Плавание в холодной воде по-прежнему представляет значительный риск для здоровья неопытных и неподготовленных пловцов. Чтобы в полной мере воспользоваться метаболическими и термогенными эффектами плавания в холодной воде, рекомендуется пройти программу поэтапной и постепенной акклиматизации, желательно проводить под наблюдением.

Реакция холодового шока у других организмов

Холодовой шок у млекопитающих

Холодовой шок был описан у нескольких видов, и по крайней мере часть физиологии аналогична, как описано выше в разделе «Ныряющий рефлекс».

Холодовой шок у бактерий

Холодовой шок — это когда бактерии подвергаются значительному снижению температуры, вероятно, из-за понижения температуры окружающей среды. Чтобы считаться холодовым шоком, снижение температуры должно быть как значительным, например, с 37 °C до 20 °C, так и происходить в течение короткого периода времени, традиционно менее 24 часов. ^{[ 6 ]} Как прокариотические, так и эукариотические клетки способны испытывать реакцию холодового шока. ^{[ 7 ]} Эффекты холодового шока у бактерий включают: ^{[ 8 ]}

Снижение текучести клеточных мембран.
Снижение активности ферментов
Снижение эффективности транскрипции и трансляции.
Снижение эффективности сворачивания белка
Снижение функции рибосомы

Бактерии используют цитоплазматическую мембрану, РНК/ДНК и рибосомы в качестве сенсоров холода в клетке, поручая им контролировать температуру клетки. ^{[ 7 ]} Как только эти датчики посылают сигнал о возникновении холодового шока, бактерии приостанавливают большую часть синтеза белка, чтобы перенаправить свое внимание на выработку так называемых белков холодового шока (Csp). ^{[ 9 ]} Объем вырабатываемых белков холодового шока будет зависеть от тяжести снижения температуры. ^{[ 10 ]} Функция этих белков холодового шока — помочь клетке адаптироваться к внезапному изменению температуры, позволяя ей поддерживать как можно более близкий к нормальному уровень функционирования. ^{[ 7 ]}

Считается, что один из способов функционирования белков холодового шока — это действие в качестве шаперонов нуклеиновых кислот. Эти белки холодного шока блокируют образование вторичных структур мРНК во время холодового шока, оставляя бактерии только с одноцепочечной РНК. ^{[ 8 ]} Одноцепочечная форма РНК является наиболее эффективной для облегчения транскрипции и трансляции. Это поможет противодействовать снижению эффективности транскрипции и трансляции, вызванному холодовым шоком. ^{[ 10 ]} Белки холодового шока также влияют на образование шпилек в РНК, блокируя их образование. Функция этих шпилек состоит в замедлении или уменьшении транскрипции РНК. Таким образом, их удаление также поможет повысить эффективность транскрипции и трансляции. ^{[ 10 ]}

Как только первоначальный шок от снижения температуры преодолен, выработка белков холодового шока постепенно снижается. ^{[ 8 ]} Вместо этого на их месте синтезируются другие белки, поскольку клетка продолжает расти при этой новой, более низкой температуре. Однако скорость роста этих бактериальных клеток при более низких температурах часто ниже, чем скорость роста, которую они демонстрируют при более высоких температурах. ^{[ 6 ]}

Транскрипционный ответ Escherichia coli на холодовой шок

Холодовой шок вызывает репрессию нескольких сотен генов бактерии E. coli . Многие из этих генов быстро репрессируются после понижения температуры, тогда как другие затрагиваются только через несколько часов после этого события. ^{[ 11 ]} Механизм репрессий описан в . ^{[ 12 ]} Вскоре, во время холодового шока, уровень клеточной энергии снижается. Это снижает эффективность, с помощью которой ДНК-гиразы удаляют положительные суперспирали, образующиеся в результате событий транскрипции, накопление которых в конечном итоге блокирует будущие события транскрипции.

Многие гены, подавляемые во время холодового шока, участвуют в клеточном метаболизме. Зная механизм реакции этих генов, можно потенциально настроить его в генетически модифицированных бактериях, чтобы изменить температуру, при которой активируется реакция на холодовой шок. Эта модификация могла бы снизить энергетические затраты биореакторов. ^{[ 12 ]}

См. также

Нырятельный рефлекс - физиологические реакции на погружение позвоночных животных, дышащих воздухом.
Гипотермия – внутренняя температура человеческого тела ниже 35 °C (95 °F).
Погружение в холодную воду . Нарушение дыхания, вызванное погружением в жидкость.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Упражнения на холоде: Часть II. Физиологическое путешествие под воздействием холодной воды» . Наука о спорте . www.sportsscientists.com. 29 января 2008 года . Проверено 23 апреля 2010 г.
^ Персонал. «4 фазы погружения в холодную воду» . За пределами учебного лагеря «Холодная вода» . Канадский совет по безопасному плаванию на лодках. Архивировано из оригинала 3 декабря 2013 года . Проверено 8 ноября 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Фарстад, Дэвид Дж.; Данн, Джули А. (сентябрь 2019 г.). «Синдром погружения в холодную воду и смертельные случаи во время отдыха в бурной воде» . Медицина дикой природы и окружающей среды . 30 (3): 321–327. дои : 10.1016/j.wem.2019.03.005 . ISSN 1545-1534 . ПМИД 31178366 . S2CID 182948780 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кнехтл, Бит; Васкевич, Збигнев; Соуза, Кайо Виктор; Хилл, Ли; Николаидис, Пантелис Т. (декабрь 2020 г.). «Плавание в холодной воде — преимущества и риски: описательный обзор» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 17 (23): 8984. doi : 10.3390/ijerph17238984 . ISSN 1661-7827 . ПМЦ 7730683 . ПМИД 33276648 .
^ Типтон, MJ; Кольер, Н.; Мэсси, Х.; Корбетт, Дж.; Харпер, М. (01 ноября 2017 г.). «Погружение в холодную воду: убить или вылечить?: Погружение в холодную воду: убить или вылечить?» . Экспериментальная физиология . 102 (11): 1335–1355. дои : 10.1113/EP086283 . ПМИД 28833689 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Шайрс, К.; Стейн, Л. (2001). «Реакция на холодовой шок у Mycobacterium smegmatis индуцирует экспрессию гистоноподобного белка» . Молекулярная микробиология . 39 (4): 994–1009. дои : 10.1046/j.1365-2958.2001.02291.x . ISSN 1365-2958 . ПМИД 11251819 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Фадтаре С., Альсина Дж. и Иноуе М. (1999). «Реакция на холодный шок и белки холодного шока». Современное мнение в микробиологии. 2(2), 175-180. doi:10.1016/S1369-5274(99)80031-9
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Пхадтаре, Сангита (2004). «Последние разработки в области бактериальной реакции на холодовой шок» . Актуальные проблемы молекулярной биологии . 6 (2): 125–136. ISSN 1467-3037 . ПМИД 15119823 .
^ Ди Пьетро, Фабио; Брэнди, Анна; Дзеладини, Надире; Фаббретти, Аттилио; Карзанига, Томас; Пьерсимони, Лолита; Пон, Синтия Л; Джулиодори, Анна Мария (2013). «Роль ассоциированного с рибосомами белка PY в реакции Escherichia coli на холодовой шок» . МикробиологияОткрыть . 2 (2): 293–307. дои : 10.1002/mbo3.68 . ISSN 2045-8827 . ПМЦ 3633353 . ПМИД 23420694 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кето-Тимонен, Риикка; Хиетала, Нина; Палонен, Эвелиина; Хакакорпи, Анна; Линдстрем, Мия; Коркеала, Ханну (2016). «Белки холодового шока: мини-обзор с особым акцентом на семействе Csp энтеропатогенных иерсиний» . Границы микробиологии . 7 : 1151. дои : 10.3389/fmicb.2016.01151 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4956666 . ПМИД 27499753 .
^ Пхадтаре, Сангита; Иноуэ, Масайори (октябрь 2004 г.). «Полногеномный транскрипционный анализ реакции на холодовой шок у штаммов Escherichia coli дикого типа и чувствительных к холоду с четверной делецией csp» . Журнал бактериологии . 186 (20): 7007–7014. дои : 10.1128/JB.186.20.7007-7014.2004 . ISSN 0021-9193 . ПМК 522181 . ПМИД 15466053 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Даш, Сучинтак; Пальма, Кристина С.Д.; Баптиста, Инес СК; Алмейда, Билена Л.Б.; Бахрудин, Мохамед Н.М.; Чаухан, Ватсала; Джагадисан, Рахул; Рибейро, Андре С (3 августа 2022 г.). «Изменение сверхспирализации ДНК служит триггером кратковременного подавления холодовым шоком генов E. coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 50 (15): 8512–8528. дои : 10.1093/nar/gkac643 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 9410904 . ПМИД 35920318 .

Источники

Знакомство с «Замороженными разрушителями мифов» и мифом №1 . Информационный бюллетень медицины дикой природы. Источник: 17 мая 2008 г.

[coldii-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Упражнения на холоде: Часть II. Физиологическое путешествие под воздействием холодной воды» . Наука о спорте . www.sportsscientists.com. 29 января 2008 года . Проверено 23 апреля 2010 г.

[phases-2] Персонал. «4 фазы погружения в холодную воду» . За пределами учебного лагеря «Холодная вода» . Канадский совет по безопасному плаванию на лодках. Архивировано из оригинала 3 декабря 2013 года . Проверено 8 ноября 2013 г.

[:4-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Фарстад, Дэвид Дж.; Данн, Джули А. (сентябрь 2019 г.). «Синдром погружения в холодную воду и смертельные случаи во время отдыха в бурной воде» . Медицина дикой природы и окружающей среды . 30 (3): 321–327. дои : 10.1016/j.wem.2019.03.005 . ISSN 1545-1534 . ПМИД 31178366 . S2CID 182948780 .

[:5-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кнехтл, Бит; Васкевич, Збигнев; Соуза, Кайо Виктор; Хилл, Ли; Николаидис, Пантелис Т. (декабрь 2020 г.). «Плавание в холодной воде — преимущества и риски: описательный обзор» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 17 (23): 8984. doi : 10.3390/ijerph17238984 . ISSN 1661-7827 . ПМЦ 7730683 . ПМИД 33276648 .

[:1-5] Типтон, MJ; Кольер, Н.; Мэсси, Х.; Корбетт, Дж.; Харпер, М. (01 ноября 2017 г.). «Погружение в холодную воду: убить или вылечить?: Погружение в холодную воду: убить или вылечить?» . Экспериментальная физиология . 102 (11): 1335–1355. дои : 10.1113/EP086283 . ПМИД 28833689 .

[:02-6] Перейти обратно: ^а ^б Шайрс, К.; Стейн, Л. (2001). «Реакция на холодовой шок у Mycobacterium smegmatis индуцирует экспрессию гистоноподобного белка» . Молекулярная микробиология . 39 (4): 994–1009. дои : 10.1046/j.1365-2958.2001.02291.x . ISSN 1365-2958 . ПМИД 11251819 .

[:12-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Фадтаре С., Альсина Дж. и Иноуе М. (1999). «Реакция на холодный шок и белки холодного шока». Современное мнение в микробиологии. 2(2), 175-180. doi:10.1016/S1369-5274(99)80031-9

[:2-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Пхадтаре, Сангита (2004). «Последние разработки в области бактериальной реакции на холодовой шок» . Актуальные проблемы молекулярной биологии . 6 (2): 125–136. ISSN 1467-3037 . ПМИД 15119823 .

[9] Ди Пьетро, Фабио; Брэнди, Анна; Дзеладини, Надире; Фаббретти, Аттилио; Карзанига, Томас; Пьерсимони, Лолита; Пон, Синтия Л; Джулиодори, Анна Мария (2013). «Роль ассоциированного с рибосомами белка PY в реакции Escherichia coli на холодовой шок» . МикробиологияОткрыть . 2 (2): 293–307. дои : 10.1002/mbo3.68 . ISSN 2045-8827 . ПМЦ 3633353 . ПМИД 23420694 .

[:3-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кето-Тимонен, Риикка; Хиетала, Нина; Палонен, Эвелиина; Хакакорпи, Анна; Линдстрем, Мия; Коркеала, Ханну (2016). «Белки холодового шока: мини-обзор с особым акцентом на семействе Csp энтеропатогенных иерсиний» . Границы микробиологии . 7 : 1151. дои : 10.3389/fmicb.2016.01151 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4956666 . ПМИД 27499753 .

[11] Пхадтаре, Сангита; Иноуэ, Масайори (октябрь 2004 г.). «Полногеномный транскрипционный анализ реакции на холодовой шок у штаммов Escherichia coli дикого типа и чувствительных к холоду с четверной делецией csp» . Журнал бактериологии . 186 (20): 7007–7014. дои : 10.1128/JB.186.20.7007-7014.2004 . ISSN 0021-9193 . ПМК 522181 . ПМИД 15466053 .

[:6-12] Перейти обратно: ^а ^б Даш, Сучинтак; Пальма, Кристина С.Д.; Баптиста, Инес СК; Алмейда, Билена Л.Б.; Бахрудин, Мохамед Н.М.; Чаухан, Ватсала; Джагадисан, Рахул; Рибейро, Андре С (3 августа 2022 г.). «Изменение сверхспирализации ДНК служит триггером кратковременного подавления холодовым шоком генов E. coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 50 (15): 8512–8528. дои : 10.1093/nar/gkac643 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 9410904 . ПМИД 35920318 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]