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Kentucky Derby: Race Horse Physiology Is Model For Speed

Equine athlete has natural supplemental oxygen supply ready for race; blood thickens 50% with infusion of oxygenated red blood cells

BETHESDA, MD (April 27, 2006) ? When the elite horses of the Kentucky Derby jump from the gate on May 6, will the physiologists who study them be able to predict the likely winner?

Exercise physiologists have used horses for research for hundreds of years because the equine athlete’s blood vessels are large, they love to exercise, and they are domesticated, noted Eric K. Birks, assistant professor of exercise physiology at the University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine.

Important discoveries about heart rate, blood clotting, blood pressure and the role of oxygen in the blood have resulted from research with horses, said Kenneth H. McKeever, associate professor and associate director of the Equine Science Center at Rutgers University, New Brunswick, NJ, and an advisor to the New York state racing board’s medication advisory committee.

And the research continues. McKeever, for instance, is currently doing research funded by the U.S. Army, looking at the anti-inflammatory properties of several foods. Soldiers, who run and walk with lots of heavy equipment, often develop inflammation, which can lead to injuries, he said. His team found that extracts of cranberry, black tea and orange peel reduced inflammation in horses, but ginger did not. This finding could help soldiers reduce inflammation by eating these foods.

Born to run

Physiologists use treadmills to identify how the horse’s physiology contributes to maximum performance and how it limits it. Getting a 1,200 pound thoroughbred to run on a treadmill has its challenges, but part of the reason the horse has become a favorite of exercise physiologists is that they love to run, McKeever said.

“That’s part of the lure of using horses rather than rats or monkeys -- they give it their all,” said McKeever. Horses in his lab paw at the belt when they get on the treadmill, trying to get it to move, he said.

“If they had opposable thumbs, they would open their stalls and go down to the treadmill themselves,” said Birks. “Left to their own devices, the horses would probably run more than what we allow them to run in races.”

And what have physiologists learned about horse physiology?

Fun physiological facts about horses

Horses

  • can breathe only through their noses

  • can only breathe in synch with their stride

  • have outsized spleens that release oxygen-rich red blood cells into the blood stream when they run

  • have hearts that can handle blood that thickens with the 50% increase in red blood cells

  • are the only animals, other than humans, that sweat through their skin

A horse’s body is like a huge bellows, McKeever explained. Its breathing is dictated by the movement of its body and is in synchrony with its stride. Horses can inhale only when their front hooves are striding outward, they exhale only when all four legs come together -- the in and out of the bellows.

Unlike human runners who can take a deep breath independent of their leg movements, horses cannot take that extra-deep gulp of air when in full gallop, said Lawrence R. Soma, professor of anesthesia and clinical pharmacology at the University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine. That means a horse with a longer stride has more time to inhale and exhale, allowing the horse time to breathe more deeply. Horses cannot increase their breathing rate without running faster or shortening their strides.

"Because they have such a big mass of abdominal contents, if they tried to inhale when landing on their front feet, this mass and any food in their stomach and intestines would shift forward and limit the expansion of their lungs," Birks explained.

The horse with the longer stride has an advantage, because it has more breathing time, Birks said. Triple Crown winner Secretariat had one of longest stride ever recorded, allowing him to take bigger breaths, he said. So, the longer the stride, the more likely to win, right?

Thoroughbreds share same 30 ancestors

Unfortunately, it’s not so simple. Some very successful horses have had shorter strides, including Kentucky Derby and Preakness winner Smarty Jones. Racing success is built on multiple factors, including the horse’s psychological makeup, not to mention the jockey’s, Soma said.

The horses that run the Derby run approximately the same speed, Soma noted. One horse length is equal to one-fifth of a second, meaning the horse that finishes five lengths back in a two-mile race is only one second behind the winner. So even small things can make a difference.

“It doesn’t look like breeding makes all that much difference,” Soma said. Modern race horses do not have much genetic variability, because they trace their ancestry to the same 30 or so horses. Since the 1700s, horses have become a little faster, but not much, he said.

Like standing on one finger

Horses pack great speed for their size, a skill that comes in handy when you’re sharing the open plain with hungry predators. But their thin legs and relatively small hooves support a much greater proportion of weight than the human foot, which is relatively larger.

“Anatomically speaking, they run on their toes,” Soma said. “That makes them very fragile.” A human being would have to put his weight on his middle finger to duplicate the proportion of weight the horse hoof supports as it hits the ground.

The strain of a two-minute race can cause problems for horses, McKeever said. They may be unable to get enough oxygen to their tissues and carbon dioxide may build up in their blood. Blood vessels in their lungs sometimes burst from the strain and if enough burst, the horse may bleed from its nose.

Physiologists are still trying to understand why horses are susceptible to this bleeding but inhaling dust into the lungs may play a role, as may the shock produced as the horse’s 1,200 pound body lands on its legs in full gallop.

Oxygen consumption is key

Horses need a lot of oxygen when they run. They carry their own emergency supply in their spleens.

“The horse spleen is a giant bag of extra blood,” McKeever said. When the horse runs, its spleen contracts and forces a fresh supply of oxygen-rich red blood cells into its blood stream, effectively pumping extra oxygen into its cardiovascular system virtually on demand. Human athletes, on the other hand, must train at high altitude to produce a greater supply of red blood cells.

When at rest, about 35% of the total blood volume in humans and horses is comprised of red blood cells. Humans maintain that proportion even during exercise. Horses increase their red blood cell numbers to more than 65% of blood volume during a race. This greatly increases the horse’s ability to carry needed oxygen, but also makes the blood thicker. Fortunately, the horse’s heart is able to overcome this viscosity.

Horses also have a tremendous ability to use the oxygen it produces. An elite human athlete uses 70-90 milliliters of oxygen per kilogram of weight per minute, McKeever said. Thoroughbreds use more than 150 milliliters per kilogram per minute.

Any predictions?

So, should you consult your favorite physiologist before placing your bet on the Derby, or any horse race?

“We can predict the horses that will be in the top 5% of thoroughbred racing, but every horse at the racetrack is in that 5%” Birks said.” There are too many variables beyond physiology: training, diet, the jockey, horse psychology and more; and too little difference in performance between the first- and last-place finishers to be able to predict the outcome.

“We choose not to gamble,” Birks said with a laugh.

* * *

The American Physiological Society was founded in 1887 to foster basic and applied bioscience. The Bethesda, Maryland-based society has more than 10,000 members and publishes 14 peer-reviewed journals containing almost 4,000 articles annually.

* * *

APS  provides a wide range of research, educational and career support and programming to further the contributions of physiology to understanding the mechanisms of diseased and healthy states. In May 2004, APS received the Presidential Award for Excellence in Science, Mathematics and Engineering Mentoring (PAESMEM).

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2006/11/03 05:39 2006/11/03 05:39
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2006.10.31

2006/11/01 13:04 / My Life/Diary

술을 먹었다. 오랜만에. 가끔 이름이 다른 친구와 헷갈리는 N과. 오돌뼈를 안주로 소주를 한 병씩 먹으니 어지러웠다. 우리 한창 때는 이보다 더 먹고 또 토하고 더 먹고도 또 먹고도 먹었지 않지 않았는가? 과거의 일이므로 알 수 없다. 정말 그렇게 먹었는지도 알 수 없다. 술이란 본래 현실의 이탈인데 어떻게 그걸 알 수 있나? 옛날 얘기와, 이루어지지 않은 사랑 얘기. 이제는 아무렇지도 않다고. 사실 그 때도 아무렇지 않았다. 아무런 이야기는 시간이 흘러도 아무런 이야기인 것이다. 2차로, 어느 재쯔바에. 우리는 태초부터 그다지 많은 돈을 갖고 있지 않았으므로, 나는 잭콕을 N은... 뭐더라. 영어를 쓰지만 한국 토박이 같은 여자 가수가 노래를 불렀다. MISTY, FALLEN LEAVES, GREATEST LOVE OF ALL... 가요 한 곡과 그렇게 부르고는 가버렸다. 우리도. 편의점에서 맥주 두 캔을 샀다. 아니... 삿뽀로는 너무 취해, 골라 잡은 게 사과 과일 맥주. 보라매 공원 벤치에서. 추웠다. 추웠기에 아무 것도 생각나지 않는다. 사실은 춥지 않았을지도 모른다. 술에 취해있었으므로. 술이란 본래 현실의 이탈인데 어떻게 그걸 알 수 있나? 나는 한 겨울날 술 쳐먹고 나체로 뛰어다니는 사람도 본 일이 있다. 인생의 묘미는 반전이다. 살만해지자 죽어버리고, 죽을 것 같지만 살게 되는. 반전을 원하는 사람, 반전을 원하지 않는 사람. 혹은 반전 시위를 하는 사람 등 세상에는 같은 말을 하면서도 전혀 다른 뜻으로 말하는 사람이 있는가하면 인생의 반전을 바라지 않지만 영화 속의 반전에 열광하는 사람도 있다. 죽음 이후의 삶은 모든 종교가 가진 반전의 매력이다. 엘 씨에고. 오늘은 11월의 첫날이다. 생각해보니 어제는 시월의 마지막이었다. 째즈바에서 누군가 그랬다. " 시월의 마지막 날인데, 이용의 '시월의 마지막 날' 들려줄 수 없나요? " 영어를 쓰지만 한국 토박이 같은 여자 가수는 " 없다. " 고 대답했다. 마지막 날엔, 마지막이므로 없는 것이 정답이다. 마지막에 없지 않고 있다면 그것은 마지막이 아니지 않은가. 마지막을 마지막이라고 말하지 않는 건 종교뿐이다. 그러나 나는, 마지막은 마지막이라고 말하고 싶다.

2006/11/01 13:04 2006/11/01 13:04
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나와 경마장 이야기 金東里
- 즐기는 일에는 제약이

내가 경마장엘 나오기 시작한 것은 약 이 십 년 전부터의 일이다. 그 무렵 기수로 있던 사람들은 뒤에 대개 조교사가 되었고 아주 사라져 버린 사람도 있은 것 같다. 그 아주 사라져버린 사람 가운데 내가 기억하는 이름으로 조선구(趙先九)기수가 있다. 내가 어떻게 마침 이 조기수의 이름을 기억하느냐 하면 그것은 간단하다. 그 당시 내가 그 이름만으로 저들이 형제거나 형제하고도 아주 쌍둥이 형제가 아닌가 생각했던 두 사람이 있었는데 그것이 누구냐 하면 지금의 조후구(趙後九)조교사와 위의 조선구기수 이 둘이었다.

실지에 있어 그 두 사람은 전혀 남남끼리였을지도 모른다. 나는 누구로부터 그들에 대해서 들은 일도 없고, 내가 물어 본 일도 없기 때문이다. 세상에는 같은 이름도 얼마든지 있는 만큼, 우연히 선(선)자와 후(후)자로 갈렸을 뿐 같은 조씨에 같은 구자가 붙을 수도 있다고 논리적으로는 말할 수 있기 때문이다.

하여간 그 조선구기수가 뛸 무렵부터 내가 경마장엘 다녔다고 하면 그 연대를 아는 사람은 알 수도 있을 것이기 때문에 이들 이야기가 나온 것이다.

나는 본디 운동경기를 좋아해서 소위 빅게임이란 것이 있을 때는 여간 바쁜 일이 아니면 제쳐놓고 경기장으로 나가는 편이었다. 전국체전이란 것이 열릴 때는 그 기간동안 대개 서울운동장엘 나가 있곤 했다.(그 당시는 개최지가 서울로 고정돼 있었다)

그러자니까 내가 처음 경마장을 찾게 된 동기는 일종의 운동경기를 구경하러 갔던 편에 가깝다. 물론 단순한 운동경기가 아니고 거기 투기성이 곁들여져 있다는 것도 처음부터 알고 있었다. 그러니까 그 두 가지가 다 나의 취미에는 적합했던 것이다. 왜냐하면 그냥 구경만 하기보다 그 승부에다 돈을 걸면 내 자신도 승부에 참여하는 것이 되어 더욱 자극적으로 즐길 수 있기 때문이다.

이리하여 취미를 붙인 것이 결과적으로 나의 용돈 잡비 술값 따위를 몽땅 다 털어 넣어도 모자랄 지경이 되었다. 나는 하는 수없이 몇 해 동안 경마장 출입을 끊고 지냈다. 그러다가 정년퇴직이란 것을 하면서부터 또다시 경마장 취미를 되살린 것이다. 몸 움직이는 일이 필요했기 때문이다.

그 대신 옛날같이 용돈 형편 되는대로 넣고 나오는 것이 아니라 예산을 세워서 그 예산 범위 안에서만 투기 취미는 허용키로 스스로 제약을 두었던 것이다.

사람 사는 일엔 격차가 심해서 성인(聖人)은 중생을 구제하기 위해서 살고 수도자(修道者)는 도(道)를 깨치기 위해서 살고 군자는 뭇 사람(衆人)의 본(귀감)이 되기 위해서 산다고 하지만 모든 사람이 다 성인이나 도인이 될 수는 없고 군자되기도 지극히 어렵다. 특히 현대인은 인간성을 존중한다하여 자기 태어난 성품대로 취미도 살리고 기질도 살펴서 삶을 누리고자하는 경향이 짙다.

특히 나같이 칠십이 넘은 나이에 주야로 서재에만 틀어박혀 있을 수도 없으니 등산 낚시 골프 아침 산보 따위 그 어느 거든지 택해서 운동을 해야한다고 모두들 충고를 하고 야단이다. 그러나 그 어느 것도 새삼 시작하게되지는 않는다. 이런 따위보다는 경마장 놀이가 훨씬 쉽다. 미리 옷을 챙긴다 하지 않고 시간 나는 대로 아무 때나 십 오 분 가량이면 현장까지 나올 수 있기 때문이다. 한번 오기만 하면 두 시간 내지 다섯 시간 가량은 워킹을 하기 마련인 것이다. 말을 보러간다, 마권을 사러 다닌다, 뒤는 구경을 한다하고 계속 몸을 움직이게 되는 것이다. 따라서 말 구경에다, 승부놀이에다, 운동까지 적당히 곁들일 수 있으니, 이런 면으로서는 여간 적합한 나들이가 아니다.

문제는 어느 정도 승부에 집착하지 않고, 투기성을 조절할 수 있느냐 하는데 있다. 누구나 말로는 취미 삼아, 놀이 삼아, 조금씩 마권을 사서 맞으면 다행이고 안 맞으면 담담히 버리면 된다고 하지만 그렇게되는 사람이 과연 몇이나 있는지 모르겠다. 처음엔 누구나 그런 태도로 임하지만 그쪽 걸음이 거듭될수록 그렇게 뜻대로 돌아가지 않는 것이 보통 아닐까.

그러나 그렇다고 마음을 놓아버려서는 안 된다. 끝까지 자신과 투쟁하는 일이 필요하다. 왜냐하면 모든 즐기는 일에는 제약이 필요하기 때문이다. 경기 구경도 삶을 즐기는 일이요, 승부놀이도 즐기는 일이다. 즐기는 일에 제약이 따르지 않으면 그의 삶은 실패로 돌아간다. 어찌 경마뿐이겠는가.


출처 : http://blog.korearace.com/장룡

2006/10/26 16:52 2006/10/26 16:52
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