КРИТИКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБЪЕМА КИСЛОРОДА.
Поскольку вентиляционный поток воздуха имеет замкнутый объем, в котором постоянно меняются проценты диоксида углерода, кислорода и водяного пара, важно отметить, что азот, присутствующий в аппарате, когда аппарат запечатан, остается неизменным на протяжении всего эксперимента, за исключением небольших количеств, добавленных с коммерческим кислородом — количеств, хорошо известных и для которых могут быть сделаны определенные поправки. Следовательно, чтобы найти количество кислорода, присутствующего в остаточном воздухе в любое время, необходимо только определить количества диоксида углерода и водяного пара, и из этих двух факторов и из известного объема присутствующего азота можно вычислить общий объем кислорода после расчета общего абсолютного объема воздуха в камере в любой данный момент времени.
Хотя кажущийся объем воздуха остается постоянным на протяжении всего эксперимента, по условиям самого эксперимента абсолютное количество может значительно измениться, главным образом из-за колебаний барометрического давления и, во вторую очередь, из-за небольших колебаний температуры воздуха внутри камеры. Хотя наблюдатели пытаются произвольно контролировать температуру этого воздуха в пределах нескольких сотых градуса, временами испытуемый может непреднамеренно перемещать свое тело в кресле всего за несколько мгновений до конца периода и тем самым временно вызвать повышенное расширение воздуха. Аппарат — это, одним словом, большой воздушный термометр, внутри колбы которого сидит испытуемый. Если бы вся система была заключена в жесткие стенки, время от времени происходили бы заметные изменения давления в системе из-за изменений абсолютного объема, но с помощью компенсатора давления этих колебаний давления удается избежать.
Здесь сохраняются те же трудности, которые испытывались с более ранним типом аппарата при определении средней температуры объема воздуха внутри камеры. У нас, с одной стороны, теплая поверхность тела человека, в среднем не далекая от 32° C. С другой стороны, у нас холодная вода в поглотителях тепла при температуре не далекой от 12° C. Очевидно, что воздух в непосредственной близости от этих двух мест значительно теплее или холоднее средней температуры воздуха. Расположение электрических термометров сопротивления вокруг камеры после большого количества экспериментов было сделано таким, чтобы позволить измерить, насколько это возможно, среднюю температуру в камере. Но это в лучшем случае грубое приближение, и мы должны полагаться на допущение, что, хотя температуры, которые фактически измеряются, могут не быть средней температурой, колебания средней температуры параллельны колебаниям измеренных температур. Поскольку прилагаются все усилия, чтобы свести эти колебания к минимуму, видно, что ошибка этого допущения не так велика, как может показаться на первый взгляд. Однако расчет остаточного количества кислорода в камере зависит от этого допущения, и, следовательно, любые ошибки в допущении заметно повлияют на расчет остаточного кислорода.
Попытки сравнить определение кислорода с помощью чрезвычайно точного аппарата Зондена с тем, которое рассчитано после определения водяного пара и диоксида углерода, температуры и давления воздуха в камере, до сих пор приводили к результатам, которые указывают на одно из трех: (1) что смесь не является гомогенной; (2) что в течение времени, необходимого для проведения остаточных анализов, т. е. около трех или четырех минут, может происходить изменение содержания кислорода в воздухе камеры из-за кислорода, постоянно добавляемого из баллона; (3) что кислород, подаваемый из баллона, не полностью смешивается с воздухом в камере до тех пор, пока не пройдет некоторое время. То есть, при методе, используемом сейчас, необходимо заполнить компенсатор давления до определенного давления непосредственно в конце каждого экспериментального периода. Это делается путем подачи кислорода из баллона, и, очевидно, этот кислород не присутствовал в воздухе при анализе. Планируется серия экспериментов с несколько иначе организованной системой, в которой кислород будет подаваться в респирационную камеру напрямую, а не в компенсатор давления, и в конце эксперимента компенсатор давления будет поддерживаться на такой точке, что когда двигатель будет остановлен, количество кислорода, которое нужно добавить для приведения давления к определенной точке, будет небольшим.
В этих условиях есть надежда получить более удовлетворительное сравнение анализов, выполненных с помощью аппарата Зондена, и рассчитанных исходя из состава остаточного воздуха путем гравиметрического анализа. Остается фактом, однако, что с каким бы мастерством и тщательностью ни проводился газометрический анализ, гравиметрически или объемно, расчет остаточного количества кислорода представляет одни и те же трудности в обоих случаях.
РАСЧЕТ ОБЩЕГО ВЫХОДА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ВОДЯНОГО ПАРА И ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА.
По весам сосудов с серной кислотой и поташной известью легко получаются количества водяного пара и диоксида углерода, поглощенные из потока воздуха. Потеря веса кислородного баллона, увеличенная на 0,4 процента (см. стр. 88), дает вес кислорода, поданного в камеру. Остается, следовательно, внести надлежащую поправку на изменения состава воздуха внутри камеры в начале и конце различных периодов. Из остаточных листов определенно известны количества водяного пара, угольной кислоты и кислорода, присутствующие в системе в начале и конце каждого периода. Если, например, происходит увеличение количества диоксида углерода в камере в конце периода, это увеличение должно быть добавлено к количеству, поглощенному из потока воздуха, чтобы получить истинное значение количества, образовавшегося в течение экспериментального периода.
Аналогичный расчет справедлив в отношении водяного пара и кислорода. Для удобства расчетов количество водяного пара и диоксида углерода, остающихся в камере, обычно выражается в граммах, тогда как кислород выражается в литрах. Следовательно, перед выполнением сложения или вычитания из количества поданного кислорода изменения в количестве кислорода, остающегося в системе, следует перевести из литров в граммы. Это делается путем деления на 0,7.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ГОРЕНИЕМ СПИРТА.
После того как аппаратура для определения диоксида углерода, воды и кислорода была доведена до максимально возможной степени совершенства, возникла необходимость подвергнуть ее суровому испытанию и тем самым продемонстрировать ее способность давать удовлетворительные результаты в условиях, которые можно точно контролировать. Выделение определенного количества диоксида углерода из карбоната с помощью кислоты часто применялось для контроля аппаратуры, используемой в исследованиях газообмена, но это дает лишь определенное количество диоксида углерода и никак не проясняет способность аппаратуры определять два других фактора: водяной пар и кислород. Некоторые из ранних исследователей использовали горящие свечи, но мы сочли их крайне неудовлетворительными. Необходимость точного элементарного анализа, высокое содержание углерода в стеарине и парафине, а также возможность изменения химического состава материала делают этот метод непригодным для наиболее точного тестирования. В результате большого количества экспериментов с различными материалами мы по-прежнему полагаемся на использование этилового спирта с известным содержанием воды. Эксперименты с абсолютным спиртом и со спиртом, содержащим различное количество воды, не показали различий в результатах, и поэтому теперь мы обычно приобретаем коммерческий спирт высшего сорта, точно определяем удельный вес и сжигаем этот материал. Мы используем пикнометр Сквибба [28] и благодаря этому можем определять удельный вес спирта до пятого или шестого десятичного знака с высокой степенью точности. Используя алкоголеметрические таблицы Сквибба [29] или Морли [30], можно легко найти процентное содержание спирта по весу, а исходя из химического состава спирта, можно вычислить не только количество образовавшихся диоксида углерода и водяного пара и поглощенного кислорода при сгорании 1 грамма этилового спирта, содержащего определенное известное количество воды, но и тепло, выделившееся при его сгорании.
При создании данной аппаратуры выяснилось, что непрактично использовать тип спиртовой лампы, ранее успешно применявшийся в респирационной камере Уэслианского университета. Невозможность осветить шкалу на боковой стороне лампы и маленькие окна на боковой стороне калориметра исключили ее использование. Пришлось прибегнуть к использованию обычной керосиновой лампы с большим стеклянным резервуаром и горелкой Арганда. Из множества проведенных контрольных испытаний мы приводим одно от 31 декабря 1908 года, выполненное с помощью кроватного калориметра:
Перед тем как поместить лампу в камеру, было сделано несколько предварительных взвешиваний для определения скорости горения. Затем лампу установили на место и включили вентиляцию, не герметизируя крышку. Лампа горела около часа с четвертью, после чего ее снова взвесили. Затем окно было герметизировано, и эксперимент начался как можно скорее. По окончании эксперимента окно немедленно открыли, лампу погасили и взвесили. Количество спирта, сгоревшего за время между взвешиванием и началом эксперимента, было рассчитано исходя из скорости горения до эксперимента, и это количество было вычтено из общего количества, сгоревшего с момента взвешивания лампы перед герметизацией до конца, когда ее взвесили во второй раз. Для минуты, прошедшей между окончанием эксперимента и последним взвешиванием, была использована скорость горения за время самого эксперимента.
В ходе эксперимента было сожжено 142,7 грамма 92,20-процентного спирта с удельным весом 0,8163.
Табличная сводка результатов приведена ниже:
Found. Required. Carbon dioxide gms. 259.9 251.4 Oxygen " 278.5 274.8 Water-vapor " 165.8 165.6 Heat cals. 829.0 834.5
Таким образом, аппаратура доказывает свою точность при определении всех четырех факторов.
ВЕСЫ ДЛЯ ВЗВЕШИВАНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО.
Потеря или увеличение массы тела всегда рассматривались как показатели состояния организма: потеря обычно указывает на уменьшение массы тела, а увеличение — на обратное. В экспериментах, где поддерживается тонкий баланс между поступлением и выделением веществ, как в данных опытах, представляет особый интерес сравнение потерь массы, определенных с помощью весов, с рассчитанным метаболизмом веществ, что позволяет получить проверку вычислений всего процесса метаболизма. Со времен Санкториуса потеря массы тела от периода к периоду представляет особый интерес. Наиболее недавним вкладом в эти исследования являются весы, описанные Ломбардом [31], в которых масса тела регистрируется графически от момента к моменту с помощью чрезвычайно чувствительных весов.
Однако в связи с описанными здесь экспериментами взвешивание на весах имеет особое значение, поскольку оно позволяет косвенно определить потребление кислорода. Как указывали Петтенкофер и Фойт, если принять во внимание массу экскрементов и потерю массы тела, то разница между массой экскрементов и потерей массы тела должна быть массой поглощенного кислорода. С помощью данной аппаратуры мы можем определять водяной пар, выделение диоксида углерода, а также массу мочи и кала при их выделении. Если имеется точное определение массы тела от часа к часу, это должно дать данные для точного расчета потребления кислорода. Более того, у нас есть прямое определение кислорода, с которым можно сравнить косвенный метод.
В ранней аппаратуре это сравнение было далеко не таким удовлетворительным, как хотелось бы. Использовавшиеся там весы имели чувствительность только до 2 граммов, эксперименты были длительными (24 часа и более), и казалось абсолютно невозможным, даже при соблюдении величайших мер предосторожности, каждый день определять массу тела испытуемого в точно такой же одежде и с теми же принадлежностями. Более того, когда происходит постоянное изменение массы тела на 0,5 грамма или более в минуту, очевидно, что взвешивание должно проводиться в точно один и тот же момент изо дня в день. Таким образом, видно, что сравнение с прямым определением кислорода на самом деле является самостоятельным исследованием, требующим наиболее точных измерений и самой тщательной отработки методики.
В надежде внести существенный вклад в наши знания относительно косвенного определения кислорода, над калориметром-стулом были установлены специальные весы, показанные на рис. 9. Эти весы чрезвычайно чувствительны. При статической нагрузке 100 килограммов на каждой чаше они показали чувствительность 0,1 грамма, но для того, чтобы аппаратура была абсолютно герметичной для определения кислорода и диоксида углерода, стержень, на котором подвешен стул для взвешивания, должен проходить через герметичное уплотнение. Для этого уплотнения мы использовали тонкую резиновую мембрану массой около 1,34 грамма, один конец которой привязан к трубке из твердой резины, поднимающейся от стула к верхней части калориметра, а другой конец привязан к подвесному стержню. При движении вверх и вниз этот стержень воспринимает переменную нагрузку от резиновой диафрагмы в зависимости от занимаемого им положения, поэтому чувствительность, отмеченная весами при статической нагрузке и свободном колебании, выше, чем в условиях фактического использования. Предварительные испытания весов позволяют нам полагать, что при небольшом улучшении техники человека можно взвешивать с точностью до 0,3 грамма с помощью этих весов. В момент написания статьи проводится серия контрольных экспериментов для проверки косвенного определения кислорода с помощью прямого, и есть надежда, что эта проблема вскоре будет удовлетворительно решена.
Во время процесса взвешивания поток вентиляционного воздуха останавливается, чтобы предотвратить любое малейшее натяжение резиновой диафрагмы и обеспечить наилучшие условия для чувствительного равновесия. После того как взвешивание произведено и время точно зафиксировано, нагрузка снимается с призм весов, после чего предусмотрено поднятие стержня, поддерживающего стул, и одновременное плотное введение резиновой пробки в трубку из твердой резины в верхней части калориметра, что делает уплотнение абсолютно герметичным. Несколько рискованно полагаться в течение всего периода эксперимента на тонкую резиновую мембрану для герметизации, когда воздуходувка перемещает воздушный поток.
Для поднятия стула и человека, подвешенного на нем, таким образом, чтобы втянуть пробку в трубку из твердой резины, мы ранее использовали большой ручной рычаг, который был не особенно удовлетворительным. Благодаря предложению г-на Э. Х. Меткалфа мы смогли прикрепить пневматический подъемник (рис. 9), при котором поперечина над камерой калориметра, к которой прикреплен подвесной стержень, опирается на две дубовые стойки и может быть поднята путем подачи воздуха в воздушную подушку, через центральное отверстие которой проходит стержень, подвешивающий стул. По мере поступления воздуха в воздушную подушку она расширяется и поднимает большой деревянный диск, который, в свою очередь, поднимает железную поперечину, поднимая стул и подвешенный на нем груз. На нужной высоте, когда пробка была плотно вставлена на место, под концы железной поперечины подкладываются два подвижных блока, и таким образом пробка надежно удерживается на месте. Затем с воздушной подушки снимается напряжение. Эта аппаратура функционирует очень удовлетворительно, поднимая человека или опуская его на призмы весов с величайшей регулярностью и легкостью.
ЧАСТОТА ПУЛЬСА И ЧАСТОТА ДЫХАНИЯ.
Поразительная взаимосвязь, существующая между частотой пульса и общим метаболизмом, отмеченная в экспериментах натощак, проведенных с помощью более ранней аппаратуры, убедила нас в желательности получения записей частоты пульса как можно чаще во время эксперимента. Записи частоты дыхания также представляют интерес, хотя и не столь важный. Чтобы получить частоту пульса, мы прикрепляем стетоскоп Боулза над верхушечным толчком сердца и удерживаем его на месте с помощью легкой брезентовой обвязки. Через длинную передаточную трубку, проходящую через герметичное уплотнение в стенках калориметра, можно без труда подсчитать удары сердца. Частота дыхания определяется путем прикрепления пневмографа Фитца вокруг туловища, на полпути между сосками и пупком. Экскурсии указателя тамбура, записанные на закопченной бумаге кимографа, дают верную картину частоты дыхания.
Однако еще более важным является тот факт, что расширение и сокращение пневмографа предоставляют отличное средство для фиксации незначительной мышечной активности испытуемого, который в остальном считается находящимся в состоянии полного покоя. Малейшее движение руки или сокращение или расслабление любой из мышц туловища приводит к движению тамбура, вполне отличному от дыхательных движений грудной клетки или живота. Эти движения формируют очень верную картину мышечных движений испытуемого, и эти графические записи имели очень большое значение при интерпретации результатов многих экспериментов.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА С ЧЕЛОВЕКОМ.
В многочисленных ранее опубликованных отчетах, описывающих конструкцию респирационного калориметра и эксперименты с ним, мало внимания уделялось описанию порядка проведения работ. Поскольку в связи с растущим интересом к этому типу аппаратуры и возможным созданием других подобных конструкций подробное описание порядка проведения работ было бы полезным, оно включено здесь.
ПОДГОТОВКА ИСПЫТУЕМОГО.
Перед экспериментом испытуемому обычно назначается либо оговоренная диета на период времени, варьирующийся в зависимости от характера эксперимента, либо, как в случае некоторых экспериментов, он должен обходиться без пищи в течение не менее 12 часов до начала. Иногда мы считали целесообразным давать чашку черного кофе без сахара или сливок, и таким образом нам удавалось изучать ранние стадии голодания, не создавая слишком большого дискомфорта для испытуемого. Стимулирующий эффект небольшого количества черного кофе на метаболизм едва заметен, и для большинства экспериментов он не вносит никакой ошибки.