Advertisement

Thermal Homoiostasis Under Hypoxia in Man

  • T. P. K. Lim
  • U. C. Luft
Conference paper

Abstract

The complex regulatory mechanisms involved in maintaining optimal thermal conditions for the vital functions in the homoiothermic organism provide functional integrity over a limited range of variation in the temperature of the environment. These adaptations to thermal stress are mediated by humoral and neural pathways which are known to be susceptible to oxygen deprivation. Moreover, certain physiological responses elicited by heat or cold may be in conflict with others engaged to counteract hypoxia and vice versa. Human subjects were exposed to cold (4°C RH 30%), warm (40. 5°C RH 80%) and neutral (27°C RH 30%) environmental conditions for two hours while breathing gas mixtures simulating an altitude of 6000 m (inspired PO2: 65 mm Hg and for a control period of the same duration breathing air. In the cold, no difference was observed in the course of skin temperature between the hypoxic and eupoxic tests. Core temperatures were maintained constant in the presence of vigorous shivering whereby metabolic rate was increased 2 to 3 fold. In the warm environment, the core temperatures (rectal and gastric) were consistently higher with oxygen lack than in the controls, but the rate of increase in temperature was the same. At the end of the tests rectal temperature was an average 39°C. The effects of combined thermal and hypoxic stress on cardiovascular and respiratory activity appeared to be additive. Subsequently, similar experiments were performed on lightly anesthetized dogs where hypoxia of a more severe degree (inspired PO2: 52, 41 and 29 mm Hg) was employed. In these animals hypoxia invariably inhibited or entirely suppressed shivering and in the cold they suffered a more rapid fall of mean body temperature under hypoxia than on air. Experiments in which a normal partial pressure of CO2 was maintained by partial rebreathing suggest that hypocapnia may contribute to the suppression of shivering in the cold. During the exposure to heat there was a marked facilitation of panting under hypoxia, giving rise to extreme hyperpnea with hypocapnia. The animals were sacrificed in hypoxia by progressive rebreathing to determine the critical oxygen tension. Under heat stress the animals succumbed at significantly higher oxygen tensions than in the cold or neutral environment. This may be due to the compound stress of heat, hypoxia and hypocapnia.

Keywords

Skin Temperature Rectal Temperature Peripheral Temperature Lite Capacity Pation Environment 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Résumé

L’homéostasie thermique pendant l’hypoxie. Les mécanismes complexes régulatoires impliqués dans le maintien des conditions thermiques optimales pour les fonctions vitales dans l’organisme homéothermique procurent une intégrité fonctionnelle sur une échelle limitée de variation des températures ambinates. Ces adaptations au stress thermique sont réalisées par des itinéraires humoraux et nerveux que l’on sait sensibles au manque d’oxygène. De plus, certaines réactions physiologiques mises en lumière par la chaleur ou le froid peuvent être en contradiction avec d’autres tentées pour combattre l’hypoxie et vice-versa. Des sujets humains ont été exposés à des tests de températures ambiantes froide (4°C, humidité relative 30%) chaude (40, 5°C, humidité relative 80%) et normale (27° C humidité relative 30%) pendant 2 heures respirant un mélange de gaz, simulant une altitude de 6000 m (PO2 inspiré 65 mm Hg)et ensuite respirant de l’air pendant une période de contrôle de même durée. Au froid, aucune différence n’a été observée en ce qui concerne la température de la peau entre les tests d’hypoxie et d’eupoxie. Les températures internes demeurèrent constantes avec de nombreux fris sons augmentant le métabolisme de 2 ou 3 fois. Au chaud, les températures internes (rectale et gastrique) furent constamment plus élevées lors de manque d’oxygène que durant les contrôles, mais le taux d’augmentation de température fut le même. A la fin des tests, la température rectale était d’environ 39°C. Les effets des stress thermiques et hypoxiques combinés sur les activités cardiovasculaire et respiratoire semblent être additionnels. Par la suite, des expériences semblables furent pratiquées sur des chiens légèrement anesthésiés, une hypoxie beaucoup plus grave fut provoquée (PO2 inspiré: 52, 41 et 29 mm Hg). Chez ces animaux, l’hypoxie inhibait invariablement ou supprimait entièrement le tremblement, et en température froide, leur température interne baissait beaucoup plus rapidement en cas d’hypoxie qu’en respirant de l’air.Des expériences dans lesquelles une pression partielle normale de CO2 était établie par un “rebreathing” partiel, suggèrent que l’hypocapné peut contribuer à la suppression des tremblements au froid. Lors de 1’ exposition à la chaleur, il y eut nettement plus d’ halètements durant l’ hypoxie, faisant entièrement monter l’hyperpnée avec l’hypocapnie. Les animaux furent sacrifiés enhypoxie par un “rebreathing” progressif pour déterminer la pression critique d’oxygène. Sous le stress de la chaleur, les animaux succombèrent à des pressions d’oxygène nettement plus hautes qu’en milieu froid ou tempéré. Ceci peut être dû à l’ensemble des “stress” de la chaleur, de l’hypoxie et de l’hypocapnie.

резЮме

Тепловой гомеостазис при гипоксии. Сложные регулирующие механизмы, участвующие в поддержании оптимальных для жизненных функций гомеотермого организма тепловых условий, создают функциональную устойчивость в пределах небольшого изменения температуры среды. Эта адаптация к термическому напряжению регулируется гуморальными и нервными путями, которые, как известно, чувствительны к недостатку кислорода. Кроме того, некоторые физиологические реакции, вызванные теплом или холодом, могут быть в конфликте с другими реакциями, противодействующими явлениям гипоксии и наоборот. Подопытные лица подвергались холодным (4°С, относ.влаж. 80% теплым (40,5°С, относ.влаж.80%) и нейтральным (21°С, относ, влаж. 30% условиям среды, вдыхая в течение двух часов газовую смесь, симулирующую высоту 6000 м (вдыхаемый Р02: 65 мм ртутного столба), а в течение контрольного периода такой же длительности, вдыхая воздух. В холодной среде разницы в ходе температуры кожи между гипоксическим и эвпоксическим состояниями не наблюдалось. Внутренние температуры сохранялись постоянными при наличии сильной дрожи, в результате чего уровень обмена веществ повысился в 2–3 раза. В теплой среде внутренние температуры (ректальная и желудочная) были при недостатке кислорода постоянно выше, чем в контрольные периоды, но степень повышения температуры была одинаковой. В конце испытаний ректальная температура равнялась в среднем 39°С. Воздействие одновременного теплового и гипоксического напряжения на сердечно-сосудистую дыхательную деятельность представляется аддитивным. Затем аналогичные опыты были проведены на слегка анастезированных собаках, с применением более высокой гипоксии (вдыхаемый P02:52,41 и 29 мм ртутного столба). У этих животных гипоксия неизменно тормозила или полностью подавляла дрожь и на холоде средняя температура тела падала при гипоксии быстрее чем на воздухе. Опыты, во время которых нормальное частичное давление СО2 поддерживалось при помощи частичного вдыхания того же воздуха, показывает, что гипокапния может способствовать подавлению дрожи на холоде. В тепле, гипоксия заметно способстовала дыханию, причем возникала крайняя гиперпнея с гипокапнией. Животные забивались в гипоксии путем дальнейшего вдыхания того же воздуха в целях определения критического давления кислорода. При тепловом напряжении животные погибали при значительно более высоком давлении кислорода, чем в холодной или нейтральной среде. Это могло быть вызвано совместным влиянием тепла, гипоксии и гипокапнии.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    P. Behague, N.Garsaux, and F. C. Richets, Modifications thermiques observées sur le Lapin, soumis à la dépression atmosphérique. Compt. Rend. Soc. Biol. 96, 766 (1927).Google Scholar
  2. 2.
    P. Bert, La Pression Barométrique. Recherches de Physiologie Experimentale. Paris: Masson, 1878.Google Scholar
  3. 3.
    A. L. Brown, G. F. Vawter, and J. P. Marbarger, Temperature Changes in Human Subjects During Exposure to Lowered Oxygen Tension in a Cool Environment. J. Aviat. Med. 23, 456–463 (1952).Google Scholar
  4. 4.
    H. W. Denzer, Comparative Altitude Physiology of Animals. In: German Aviation Medicine World War II, Vol. 1, p. 344, Washington, D. C.: U. S. Government Printing Office, 1950.Google Scholar
  5. 5.
    E. Frank, and K. Wezler, Physikalische Wärmeregulation gegen Kälte und Hitze im Sauerstoffmangel. Pflügers Arch. 250, 598–622 (1948).CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    J. D. Hardy, Physiology of Temperature Regulation. Physiol. Rev. 41, 521–606 (1961).Google Scholar
  7. 7.
    J. D. Hardy, and E. F. DuBois, The Technique of Measuring Radiation and Convection. J. Nutr. 15, 461–475 (1938).Google Scholar
  8. 8.
    O. Hülnhagen, Über Störungen der Wärmeregulation im akuten O2- Mangel bei Kältebelastung. Luftfahrtmed. 9, 16–25 (1944).Google Scholar
  9. 9.
    F. J. Kottke, J. S. Phalen, C.P. Taylor, M.B. Visscher, and G. T. Evans, Effect of Hypoxia upon Temperature Regulation of Mice, Dogs, and Man. Amer. J. Physiol. 153, 10–15 (1948).Google Scholar
  10. 10.
    T. P. K. Lim, and U. C. Luft, Thermal and Cardiopulmonary Response to Induced Hypoxia. (To be published).Google Scholar
  11. 11.
    R. Thauer, and K. Wezler, Kreislauf und Gaswechsel des Menschen bei verschiedenen Außentemperaturen. Luftfahrtmed. 7 237–259 (1943).Google Scholar
  12. 12.
    J.B. Weir, New Methods for Calculating Metabolie Rate with Special Reference to Protein Metabolism. J. Physiol. 109, 1–9 (1949).Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag/Wien 1965

Authors and Affiliations

  • T. P. K. Lim
    • 1
  • U. C. Luft
    • 1
  1. 1.Lovelace Foundation for Medical Education and ResearchAlbuquerqueUSA

Personalised recommendations