Реакция на холодовой шок представляет собой серию нейрогенных кардиореспираторных реакций, вызванных внезапным погружением в холодную воду .
При погружении в холодную воду, например, при падении под 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, если человек находится под водой, может привести к смертельному утоплению .
Смерть, которая происходит в таких сценариях, сложно исследовать, и существует несколько возможных причин и явлений, которые могут иметь место. Холодная вода может вызвать сердечный приступ из-за сильного сужения сосудов [2] , когда сердцу приходится работать усерднее, чтобы перекачивать тот же объем крови по артериям. Для людей с уже имеющимися сердечно-сосудистыми заболеваниями дополнительная нагрузка может привести к инфаркту миокарда и/или острой сердечной недостаточности , что в конечном итоге может привести к остановке сердца . Вагусная реакция на такой экстремальный стимул, как этот, может в очень редких случаях сама по себе вызвать остановку сердца. Гипотермия и экстремальный стресс могут спровоцировать фатальные тахиаритмии. Более современная точка зрения предполагает, что автономный конфликт — симпатическая (из-за стресса) и парасимпатическая (из-за рефлекса ныряния) коактивация — может быть причиной некоторых смертей при погружении в холодную воду. Рефлекс одышки и неконтролируемое тахипноэ могут значительно увеличить риск вдыхания воды и утопления. [3]
Некоторые люди гораздо лучше подготовлены к тому, чтобы пережить внезапное воздействие очень холодной воды из-за особенностей организма и психики, а также из-за кондиций. [1] Фактически, плавание в холодной воде (также известное как ледяное плавание или зимнее плавание) — это вид спорта и занятие, которое, как сообщается, может принести много пользы для здоровья, если заниматься им регулярно. [4]
Физиологическую реакцию на внезапное погружение в холодную воду можно разделить на три или четыре отдельных этапа с различными рисками и физиологическими изменениями, все из которых являются частью сущности, обозначенной как синдром погружения в холодную воду. Хотя этот процесс является континуумом, 4 фазы были первоначально описаны в 1980-х годах следующим образом: [3] [4]
Первая стадия синдрома погружения в холодную воду, реакция на холодовой шок , включает в себя группу рефлексов, длящихся менее 5 минут у лабораторных добровольцев и инициируемых терморецепторами, ощущающими быстрое охлаждение кожи. Вода имеет теплопроводность в 25 раз и удельную теплоемкость по объему более чем в 3000 раз больше, чем у воздуха; впоследствии охлаждение поверхности происходит стремительно. Основные компоненты рефлекса холодового шока включают в себя 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.
Рефлекс ныряния — это набор физиологических реакций , возникающих в ответ на погружение в холодную воду , особенно когда лицо или тело подвергается воздействию холодной воды. Это эволюционная адаптация , которая помогает млекопитающим , включая людей, справляться с трудностями погружения в холодную воду. Рефлекс ныряния более выражен у водных млекопитающих и, как полагают, возник как способ сохранения кислорода и повышения способности оставаться под водой в течение более длительного времени.
Ключевые компоненты рефлекса ныряния включают в себя:
Хотя рефлекс ныряния более выражен у некоторых млекопитающих, его присутствие у людей хорошо документировано, особенно в ситуациях с холодной водой. Рефлекс более выражен у младенцев и маленьких детей, но может наблюдаться у людей всех возрастов. [3]
Ранние модели синдрома погружения в холодную воду были сосредоточены в основном на симпатических реакциях, однако недавние исследования показывают, что симпатическая и парасимпатическая коактивация (приводящая к конфликту реакции автономной системы) может быть ответственна за некоторые случаи смерти от погружения в холодную воду. Хотя взаимная активация между симпатической (холодовой шок) и парасимпатической (реакция ныряния) системами обычно адаптивна (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 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 холодную воду или задержки дыхания. Даже вагально- доминирующая нырятельная брадикардия, вызванная изолированным погружением лица в холодную воду, часто прерывается наджелудочковыми аритмиями или преждевременными сокращениями. Теоретически атриовентрикулярная блокада или остановка синуса из-за глубокого парасимпатического доминирования могут привести к обмороку или внезапной сердечной смерти, но эти ритмы, как правило, быстро восстанавливаются активацией рецепторов растяжения легких, связанной с дыханием. Таким образом, сценарий остановки, вызванной блуждающим нервом, более вероятен во время погружения в ловушку, чем при утоплении в потоке. [3] [4]
Можно пройти физиологическую подготовку, чтобы уменьшить реакцию на холодовой шок, и некоторые люди от природы лучше приспособлены к плаванию в очень холодной воде. Полезные адаптации включают следующее:
Тактика погружения в холодную воду часто применяется спортсменами для ускорения восстановления мышц и уменьшения воспаления и болезненности после интенсивных упражнений или после травм. [5]
Регулярное купание в льду имеет ряд преимуществ, а именно: [4]
Плавание в холодной воде по-прежнему представляет значительный риск для здоровья неопытных и нетренированных пловцов. Рекомендуется, чтобы для того, чтобы в полной мере воспользоваться метаболическими и термогенными эффектами плавания в холодной воде, требовалась программа постепенной и прогрессивной акклиматизации, и желательно, чтобы она проводилась под наблюдением.
Холодовой шок был описан у нескольких видов, и по крайней мере часть физиологии у них схожа, как описано выше в рефлексе ныряния.
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 должно произойти за короткий промежуток времени, традиционно менее чем за 24 часа. [6] Как прокариотические, так и эукариотические клетки способны подвергаться реакции холодового шока. [7] Эффекты холодового шока у бактерий включают: [8]
Бактерии используют цитоплазматическую мембрану, РНК/ДНК и рибосомы в качестве датчиков холода в клетке, возлагая на них ответственность за мониторинг температуры клетки. [7] Как только эти датчики посылают сигнал о том, что происходит холодовой шок, бактерия приостанавливает 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 серьезности снижения температуры. [10] Функция этих белков холодового шока заключается в том, чтобы помочь клетке адаптироваться к внезапному изменению температуры, позволяя ей поддерживать как можно более близкий к нормальному уровень функционирования. [7]
Считается, что одним из способов функционирования белков холодового шока является действие в качестве шаперонов нуклеиновых кислот. Эти белки холодового шока блокируют образование вторичных структур в мРНК во время холодового шока, оставляя бактериям только одноцепочечную РНК. [8] Одноцепочечная — самая эффективная форма РНК для облегчения транскрипции и трансляции. Это поможет противодействовать снижению эффективности транскрипции и трансляции, вызванному холодовым шоком. [10] Белки холодового шока также влияют на образование шпилечных структур в РНК, блокируя их формирование. Функция этих шпилечных структур заключается в замедлении или уменьшении транскрипции РНК. Таким образом, их удаление также поможет повысить эффективность транскрипции и трансляции. [10]
После того, как начальный шок от понижения температуры преодолен, производство белков холодового шока медленно снижается. [8] Вместо этого, другие белки синтезируются на их месте, поскольку клетка продолжает расти при этой новой более низкой температуре. Однако скорость роста, наблюдаемая этими бактериальными клетками при более низких температурах, часто ниже, чем скорость роста, которую они демонстрируют при более высоких температурах. [6]
Холодовой шок вызывает репрессию нескольких сотен генов в бактерии E. coli . Многие из этих генов быстро репрессируются после снижения температуры, в то время как другие подвергаются воздействию только через несколько часов после этого события. [11] Механизм репрессии описан в. [12] Вскоре, во время холодового шока, уровни клеточной энергии снижаются. Это затрудняет эффективность, с которой ДНК-гиразы удаляют положительные супервитки, произведенные событиями транскрипции, накопление которых в конечном итоге блокирует будущие события транскрипции.
Многие из генов, подавленных во время холодового шока, участвуют в клеточном метаболизме. Зная механизм, посредством которого эти гены реагируют, можно потенциально настроить его в генетически модифицированных бактериях, чтобы изменить, при какой температуре активируется реакция на холодовой шок. Эта модификация может снизить энергетические затраты биореакторов. [12]