Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66407610.31857/S0131164624050067AOHJXWArticlesСтатьиResearch ArticleChanges in the Basic Metabolic Rate of the Crew under conditions of Eight Months Isolation in a Hermetic Object with a Moderately Hypercapnic Artificial Gas Environment. Message 1Изменения основного обмена у экипажа в условиях восьмимесячной изоляции в герметичном объекте с умеренно гиперкапнической искусственной газовой средой. Сообщение 1DeminA. V.ДеминА. В.
Russian Federation
a_demin2005@mail.ruZaripovR. N.ЗариповР. Н.
Russian Federation
a_demin2005@mail.ruInstitute of Biomedical Problems of the RASИнститут медико-биологических проблем РАН20112024505546425022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664076

Within the framework of the SIRIUS international project, a study of the basic metabolism of a gender-mixed crew in a sealed object with a moderately high content of carbon dioxide in the artificial atmosphere was conducted. Using mathematical methods, we estimated the basic metabolic rate of a crew of 5 people (3 men and 2 women) at rest for 240 days of isolation when simulating a flight to the Moon in the “SIRIUS-21” experiment. The period of isolation lasted from 4.11.2021 to 3.07.2022. BMR studies were performed twice in the background (on –38–35, –6 days), 7 times during the isolation period (23–25, 50–52, 84–86, 110–112, 154–156, 181–183, 222–224 day) and twice during the aftereffect period (+1–2, +8–9 days). It was found that the basic metabolism in isolation decreased by an average of 6 kcal/kg of body weight per day compared with natural environmental conditions. The crew was isolated from the effects of seasonal lighting changes in a sealed facility, the Ground-Based Medical and Technical Facility (NEK) of the Scientific Research Center of the Russian Federation - Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences, which does not have portholes, and where artificial lighting was created without seasonal changes. Inside the NEK, the comfort temperature was constantly maintained at +21–23 degrees Celsius and an artificial gas environment was formed, in which the oxygen content was maintained at 21%, carbon dioxide no more than 0.35%. In conditions of isolation from the action of these geophysical environmental factors, seasonal fluctuations in basal metabolism with a wave span of an average of 4 kcal /kg of body weight per day were detected: in the spring calendar season, the level of basal metabolism increased relative to the winter season. Seasonal local maximums and minimums of the basic exchange level for 2 calendar seasons (winter 2021/2022 and in spring 2022) were determined for each of the volunteers. The results obtained in this work can be applied in the field of space physiology to clarify the calculated oxygen reserves and caloric content of the crew’s rations for a long-term space mission, as well as in the design and programming of life support systems and thermal management systems for inhabited hermetic objects.

В рамках международного проекта SIRIUS проведено исследование основного обмена (ОО) у гендерно-смешанного экипажа в герметичном объекте с умеренно гиперкапнической искусственной газовой средой. С помощью математических методов оценены минимальные базовые потребности в энергии у экипажа из 5 чел. (3 мужчин и 2 женщины) в состоянии покоя за 240 сут изоляции при моделировании полета на Луну в эксперименте SIRIUS-21. Период изоляции продолжался с 4.11.2021 по 3.07.2022. Исследования ОО проводили дважды в фоне (на –38–35, –9–6 сут), 7 раз в период изоляции (23–25, 50–52, 84–86, 110–112, 154–156, 181–183, 222–224 сут) и дважды в период последействия (+1–2, +8–9 сут). Установлено, что основной обмен в условиях изоляции достоверно снизился в среднем на 6 ккал/кг массы тела в сутки по сравнению с естественными условиями внешней среды (фона). Экипаж был изолирован от действия сезонных изменений освещения в герметичном объекте Наземного экспериментального комплекса (НЭК) ГНЦ РФ – Института медико-биологических проблем РАН, в котором отсутствуют иллюминаторы и где было создано искусственное освещение без сезонных изменений. Внутри НЭК постоянно поддерживалась температура комфорта 21–23 °C и формировалась искусственная газовая среда, в которой поддерживалось содержание кислорода на уровне 21%, диоксида углерода не более 0.35%. В условиях изоляции от действия этих сезонных геофизических факторов внешней среды обнаружены сезонные колебания основного обмена с размахом волны в среднем 4 ккал/кг массы тела в сутки. В весенний календарный сезон в условиях изоляции происходило повышение уровня основного обмена относительно зимнего сезона. Для каждого из добровольцев были найдены сезонные локальные максимумы и минимумы уровня основного обмена за 2 календарных сезона (зимнего 2021/2022 гг. и весеннего 2022 г.) Полученные результаты могут быть применены в области космической физиологии для уточнения расчетных запасов кислорода и калорийности рационов для экипажей длительных космических миссий, а также при проектировании и программировании систем жизнеобеспечения и обеспечения теплового режима пилотируемых космических аппаратов и других обитаемых гермообъектов.

basic metaboliс rategender-mixed crewlong-term isolationhabitable hermetic objecthypercapnic gas environmentindirect calorimetryseasonal biorhythmslife support systemsSIRIUS-21 experimentосновной обменгендерно-смешанный экипаждлительная изоляцияобитаемый герметичный объектгиперкапническая искусственная газовая среданепрямая калориметриясезонные биоритмысистемы жизнеобеспеченияэксперимент SIRIUS-21Российская академия наукRussian Academy of SciencesFMFR-2024-0038McMurray U. Metabolism in humans / Fundamentals of the doctrine of the relationship of biochemistry with physiology and pathology. M.: Mir, 1980. 368 p.Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека / Основы учения о взаимосвязи биохимии с физиологией и патологией // Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 368 с.Ivanov K.P. [Fundamentals of body energy: Theoretical and practical aspects. V. 3. Modern problems, riddles and paradoxes of energy balance regulation]. St. Petersburg: Nauka, 2001. 278 p.Иванов К.П. Основы энергетики организма: Теоретические и практические аспекты. Т. 3. Современные проблемы, загадки и парадоксы регуляции энергетического баланса. СПб.: Наука, 2001. 278 с.Herman I. Physics of the human body. Dolgoprudny: Intellect, 2014. 992 p.Герман И. Физика организма человека / Пер. с англ. Долгопрудный: Интеллект, 2014. 992 с.Hall J.E Medical physiology according to Guyton and Hall. M.: Logosphera, 2018. 1328 p.Холл Дж.Э Медицинская физиология по Гайтону и Холлу / Пер. с англ. М.: Логосфера, 2018. 1328 с.Berkovich E.M. [Energy metabolism in norm and pathology]. M.: Meditsina, 1964. 334 p.Беркович Е.М. Энергетический обмен в норме и патологии. М.: Медицина, 1964. 334 с.Olnyanskaya R.P. [Essays on the regulation of metabolism]. L.: Nauka, 1964. 234 p.Ольнянская Р.П. Очерки по регуляции обмена веществ. Л.: Наука, 1964. 234 с.Slonim A.D. [Ecological physiology of animals]. M.: Vysshaya Shkola, 1971. 448 p.Слоним А.Д. Экологическая физиология животных. М.: Высшая школа, 1971. 448 с.[Ecological physiology of animals. Part 2. Physiological systems in the process of adaptation and environmental factors. Manual of physiology]. Ed. Slonim A.D. L.: Nauka, 1981. 528 p.Экологическая физиология животных. часть 2. Физиологические системы в процессе адаптации и факторы среды обитания. Руководство по физиологии / Под ред. Слонима А.Д. Л.: Наука, 1981. 528 с.Chen K., Zhang Y., Zhou S. et al. The association between the basal metabolic rate and cardiovascular disease: A two-sample Mendelian randomization study // Eur. J. Clin Invest. 2024. V. 54. № 5. P. e14153.Blasco Redondo R. Resting energy expenditure; assessment methods and applications // Nutr. Hosp. 2015. V. 31. Suppl 3. P. 245.Pavlidou E., Papadopoulou S.K., Seroglou K., Giaginis C. Revised Harris-Benedict equation: New human resting metabolic rate equation // Metabolites. 2023. V. 13. № 2. P. 189.Heymsfield S.B., Smith B., Dahle J. et al. Resting energy expenditure: from cellular to whole-body level, a mechanistic historical perspective // Obesity (Silver Spring). 2021. V. 29. № 3. P. 500.[Monitoring of nutritional status using modern methods of nutrimetabolomics and optimization of diet therapy in internal pathology. (Methodological recommendations for doctors of the Ministry of Health of the Russian Federation).] M.: Etalon, 2006. 36 p.Мониторинг пищевого статуса с использованием современных методов нутриметаболомики и оптимизации диетотерапии при внутренней патологии. (Методические рекомендации для врачей МЗСР РФ). М.: Эталон, 2006. 36 с.Ilyushin Yu.S., Olizarov V.V. [Systems for life support and rescue of aircraft crews]. M.: VVIA im. prof. N.E. Zhukovskogo, 1972. 492 p.Илюшин Ю.С., Олизаров В.В. Системы обеспечения жизнедеятельности и спасения экипажей летательных аппаратов. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1972. 492 с.Haskin V.V. [Energy of heat generation and adaptation to cold]. Novosibirsk: Nauka, 1975. 200 p.Хаскин В.В. Энергетика теплообразования и адаптация к холоду. Новосибирск: Наука, 1975. 200 с.Malozemov V.V. [Thermal regime of spacecraft]. M.: Mashinostroenie, 1980. 232 p.Малоземов В.В. Тепловой режим космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.Baranov V.M. [Human gas and energy exchange in space flight and model research]. M.: Nauka, 1993. 126 p.Баранов В.М. Газоэнергообмен человека в космическом полете и модельных исследованиях. М.: Наука, 1993. 126 с.Glushko A.A. [Space ecology]. M.: Inzhenernaya Ekologiya, 2005. 624 p.Глушко А.А. Космическая экология. М.: Инженерная экология, 2005. 624 с.Shibanov G.P. [Habitability of space and safety of human stay in it]. M.: Mashinostroenie, 2007. 544 p.Шибанов Г.П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека. М.: Машиностроение, 2007. 544 с.Demin A.V., Ivanov A.I., Suvorov A.V. [Human heat production in different states] // Bulletin of Tver State University. Series: Biology and Ecology. 2013. V. 29. № 2. P. 99.Демин А.В., Иванов А.И., Суворов А.В. Теплопродукция человека в разных состояниях // Вестник Тверского государственного университета. Сер.: Биология и экология. 2013. Т. 29. № 2. С. 99.Malozemov V.V., Rozhnov V.F., Pravetsky V.N. [Life support systems for aircraft crews]. M.: Mashinostroenie, 1986. 584 p.Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1986. 584 с.Glushko A.A. [Space life support systems (biophysical fundamentals of design and testing)]. M.: Mashinostroenie, 1986. 304 p.Глушко А.А. Космические системы жизнеобеспечения (биофизические основы проектирования и испытания). М.: Машиностроение, 1986. 304 с.Gorodinsky S.M., Glushko A.A., Orekhov B.V. [Calorimetry in insulating means of human protection]. M.: Mashinostroenie, 1976. 208 p.Городинский С.М., Глушко А.А., Орехов Б.В. Калориметрия в изолирующих средствах защиты человека. М.: Машиностроение, 1976. 208 с.Bioastronautics Data book / NASA. Washington, 1973. P. 847.Fujihira K., Takahashi M., Wang Ch., Hayashi N. Factors explaining seasonal variation in energy intake: a review // Front. Nutr. 2023. V. 10. P. 1192223.Golikov A.P., Golikov P.P. [Seasonal biorhythms in physiology and pathology]. M.: Meditsina, 1973. 167 p.Голиков А.П., Голиков П.П. Сезонные биоритмы в физиологии и патологии. М.: Медицина, 1973. 167 с.Demin A.V. [Development of a method for indirect assessment of human oxygen consumption] // Bulletin of Tver State University. Series: Biology and Ecology. 2013. № 2. P. 90.Демин А.В. Разработка способа косвенной оценки потребления кислорода человеком // Вестник Тверского государственного университета. Сер.: Биология и экология. 2013. № 2. С. 90.Menshov A.I. [Space ergonomics]. L.: Nauka, 1971. 296 p.Меньшов А.И. Космическая эргономика. Л.: Наука, 1971. 296 с.[A model experiment with long-term isolation: problems and achievements]. Ed. Baranov V.M. M.: Slovo, 2001. 590 p.Модельный эксперимент с длительной изоляцией: проблемы и достижения / Под ред. Баранова В.М. М.: Слово, 2001. 590 с.McLean J.A., Tobin G. Animal and Human Calorimetry. Cambridge University Press, 2008. 356 p.Alcantara J.M.A., Galgani J.E., Jurado-Fasoli L. et al. Validity of four commercially available metabolic carts for assessing resting metabolic rate and respiratory exchange ratio in non-ventilated humans // Clin. Nutr. 2022. V. 41. № 3. P. 746.Fullmer S., Benson-Davies S., Earthman C.P. et al. Evidence analysis library review of best practices for performing indirect calorimetry in healthy and non-critically ill individuals // J. Acad. Nutr. Diet. 2015. V. 115. № 9. P. 1417.Dyakonov V.P. [Handbook of the system of symbolic mathematics DERIVE]. M.: SK Press, 1998. 255 p.Дьяконов В.П. Справочник по системе символьной математики DERIVE. М.: СК Пресс, 1998. 255 с.Isakova O.P., Tarasevich Yu.Yu., Yuzyuk Yu.I. [Processing and visualization of physical experiment data using the Origin package]. M.: Librocom, 2009. 138 p.Исакова О.П., Тарасевич Ю.Ю., Юзюк Ю.И. Обработка и визуализация данных физических экспериментов с помощью пакета Origin. М.: Либроком, 2009. 138 с.Demin A.V., Dyachenko A.I., Ivanov A.I. et al. Instrumental monitoring of the state of the human autonomic nervous system in the Mars-520 experiment // Biomed. Eng. 2013. № 2. P. 86.Демин А.В., Дьяченко А.И., Иванов А.И. и др. Инструментальный мониторинг состояния вегетативной нервной системы человека в эксперименте «Марс-520» // Медицинская техника. 2013. № 2. С. 27.