Cíle výuky
- Diskutovat o úloze kyslíku a živin při zachování lidského přežití
- Vysvětlit, proč je extrémní teplo. a extrémní chlad ohrožují přežití člověka
- Vysvětlit, jak tlak vyvíjený plyny a tekutinami ovlivňuje přežití člověka
- Diskutovat o úloze homeostázy ve zdravém fungování
- Konfrontovat negativní a pozitivní zpětnou vazbu, uveďte po jednom fyziologickém příkladu každého mechanismu
Lidé se přizpůsobují životu na Zemi již nejméně posledních 200 000 let. Země a její atmosféra nám poskytly vzduch k dýchání, vodu k pití a potravu k jídlu, ale to nejsou jediné požadavky pro přežití. Ačkoli o tom možná přemýšlíte jen zřídka, nemůžete také žít mimo určitý rozsah teplot a tlaku, který poskytuje povrch naší planety a její atmosféra. Následující části se zabývají těmito čtyřmi požadavky na život.
Kyslík
Vzduch v atmosféře obsahuje jen asi 20 % kyslíku, ale tento kyslík je klíčovou součástí chemických reakcí, které udržují tělo při životě, včetně reakcí, při nichž vzniká ATP. Mozkové buňky jsou na nedostatek kyslíku obzvláště citlivé, protože vyžadují vysokou a stálou produkci ATP. Poškození mozku je bez kyslíku pravděpodobné do pěti minut a smrt do deseti minut.
Živiny
Živina je látka v potravinách a nápojích, která je nezbytná pro přežití člověka. Třemi základními třídami živin jsou voda, živiny poskytující energii a budující tělo a mikroživiny (vitaminy a minerály).
Nejdůležitější živinou je voda. V závislosti na teplotě prostředí a našem zdravotním stavu můžeme bez vody přežít jen několik dní. Funkční chemické látky v těle jsou rozpuštěny a transportovány ve vodě a ve vodě probíhají chemické reakce života. Voda je navíc největší složkou buněk, krve a tekutiny mezi buňkami a tvoří asi 70 % tělesné hmotnosti dospělého člověka. Voda také pomáhá regulovat naši vnitřní teplotu a tlumí, chrání a promazává klouby a mnoho dalších tělesných struktur.
Energeticky vydatné živiny jsou především sacharidy a lipidy, zatímco bílkoviny dodávají především aminokyseliny, které jsou stavebními kameny samotného těla. Ty přijímáte v rostlinných a živočišných potravinách a nápojích a trávicí systém je rozkládá na dostatečně malé molekuly, aby se mohly vstřebat. Produkty rozkladu sacharidů a lipidů pak mohou být využity v metabolických procesech, které je přeměňují na ATP. Přestože po vynechání jediného jídla můžete mít pocit, že hladovíte, bez konzumace energeticky vydatných živin můžete přežít nejméně několik týdnů.
Voda a energeticky vydatné živiny se také označují jako makronutrienty, protože je tělo potřebuje ve velkém množství. Naproti tomu mikroživiny jsou vitamíny a minerály. Tyto prvky a sloučeniny se podílejí na mnoha důležitých chemických reakcích a procesech, například na nervových impulsech, a některé, jako například vápník, přispívají také ke stavbě těla. Tělo může některé mikroživiny ukládat do svých tkání a čerpat z těchto zásob, pokud je po několik dní nebo týdnů nepřijímáte ve stravě. Některé další mikroživiny, jako je vitamin C a většina vitaminů skupiny B, jsou rozpustné ve vodě a nelze je skladovat, takže je musíte konzumovat každý den nebo dva.
Úzký teplotní rozsah
Jistě jste viděli zprávy o sportovcích, kteří zemřeli na úpal, nebo o turistech, kteří zemřeli v důsledku vystavení chladu. K takovým úmrtím dochází proto, že chemické reakce, na nichž je tělo závislé, mohou probíhat pouze v úzkém rozmezí tělesné teploty, od těsně pod do těsně nad 37 °C (98,6 °F). Když tělesná teplota stoupne výrazně nad nebo klesne výrazně pod normál, některé bílkoviny (enzymy), které usnadňují chemické reakce, ztratí svou normální strukturu a schopnost fungovat a chemické reakce metabolismu nemohou probíhat.
Obrázek 1. Extrémní horko. Lidé se do určité míry přizpůsobují opakovanému vystavení vysokým teplotám. (kredit: McKay Savage/flickr)
Tělo může účinně reagovat na krátkodobé vystavení horku (obr. 1) nebo chladu. Jednou z reakcí těla na teplo je samozřejmě pocení. Když se pot odpařuje z kůže, odvádí z těla část tepelné energie a ochlazuje ho. K produkci potu je zapotřebí dostatek vody (z extracelulární tekutiny v těle), proto je nezbytný dostatečný příjem tekutin, aby se vyrovnaly ztráty během potní reakce. Není překvapením, že potní reakce je mnohem méně účinná ve vlhkém prostředí, protože vzduch je již nasycen vodou. Pot na povrchu kůže se tak nemůže odpařovat a vnitřní tělesná teplota se může nebezpečně zvýšit.
Tělo může také účinně reagovat na krátkodobé vystavení chladu. Jednou z reakcí na chlad je třes, což je náhodný pohyb svalů, který vytváří teplo. Další reakcí je zvýšené odbourávání uložené energie za účelem tvorby tepla. Když se však tato energetická rezerva vyčerpá a teplota jádra začne výrazně klesat, červené krvinky ztratí schopnost odevzdávat kyslík, čímž mozek přijde o tuto kritickou složku produkce ATP. Tento nedostatek kyslíku může způsobit zmatenost, letargii a nakonec ztrátu vědomí a smrt. Tělo reaguje na chlad snížením prokrvení končetin, rukou a nohou, aby se zabránilo ochlazování krve v těchto místech a aby tělesné jádro mohlo zůstat v teple. I když však teplota tělesného jádra zůstává stabilní, může u tkání vystavených silnému chladu, zejména u prstů na rukou a nohou, dojít k omrzlinám, když se výrazně sníží průtok krve do končetin. Tato forma poškození tkání může být trvalá a vést ke gangréně, která vyžaduje amputaci postižené oblasti.
Každodenní spojení: Řízená hypotermie
Jak jste se naučili, tělo neustále zapojuje koordinované fyziologické procesy, aby si udrželo stabilní teplotu. V některých případech však může být překonání tohoto systému užitečné, nebo dokonce život zachraňující. Hypotermie je klinický termín pro abnormálně nízkou tělesnou teplotu (hypo- = “pod” nebo “pod”). Řízená hypotermie je klinicky navozená hypotermie prováděná za účelem snížení rychlosti metabolismu některého orgánu nebo celého těla člověka.
Řízená hypotermie se často používá například při operacích na otevřeném srdci, protože snižuje metabolické potřeby mozku, srdce a dalších orgánů, čímž snižuje riziko jejich poškození. Při klinickém použití řízené hypotermie se pacientovi podávají léky, které zabraňují třesu. Tělo je poté ochlazeno na teplotu 25-32 °C (79-89 °F). Srdce je zastaveno a oběh v těle pacienta udržuje externí pumpa srdce-plíce. Srdce je dále ochlazováno a po dobu operace je udržováno na teplotě nižší než 15 °C. Tato velmi nízká teplota pomáhá srdečnímu svalu tolerovat jeho nedostatečné prokrvení během operace.
Někteří lékaři na pohotovostních odděleních používají řízenou hypotermii ke snížení poškození srdce u pacientů, kteří utrpěli srdeční zástavu. Na pohotovostním oddělení lékař navodí kóma a sníží tělesnou teplotu pacienta přibližně na 91 stupňů. Tento stav, který je udržován po dobu 24 hodin, zpomaluje rychlost metabolismu pacienta. Protože orgány pacienta potřebují ke své činnosti méně krve, sníží se zátěž srdce.
Úzký rozsah atmosférického tlaku
Tlak je síla, kterou působí látka, jež je ve styku s jinou látkou. Atmosférický tlak je tlak, který vyvíjí směs plynů (především dusíku a kyslíku) v zemské atmosféře. Ačkoli to možná nevnímáte, atmosférický tlak na vaše tělo neustále působí. Tento tlak udržuje plyny ve vašem těle, například plynný dusík v tělních tekutinách, rozpuštěné. Pokud byste byli náhle katapultováni z vesmírné lodi nad zemskou atmosférou, dostali byste se ze situace normálního tlaku do situace velmi nízkého tlaku. Tlak plynného dusíku ve vaší krvi by byl mnohem vyšší než tlak dusíku v prostoru obklopujícím vaše tělo. V důsledku toho by se plynný dusík v krvi rozpínal a vytvářel by bubliny, které by mohly ucpat cévy a dokonce způsobit rozpad buněk.
Atmosférický tlak dělá víc než jen to, že udržuje rozpuštěné krevní plyny. Vaše schopnost dýchat – tedy přijímat kyslík a uvolňovat oxid uhličitý – závisí také na přesném atmosférickém tlaku. K výškové nemoci dochází částečně proto, že atmosféra ve vysokých nadmořských výškách vyvíjí menší tlak, což snižuje výměnu těchto plynů a způsobuje dušnost, zmatenost, bolesti hlavy, letargii a nevolnost. Horolezci s sebou nosí kyslík, aby snížili účinky jak nízké hladiny kyslíku, tak nízkého barometrického tlaku ve vyšších nadmořských výškách (obr. 2).
Obrázek 2. Drsné podmínky. Horolezci na Mount Everestu se musí vyrovnat s extrémním chladem, nízkou hladinou kyslíku a nízkým barometrickým tlakem v prostředí nepřátelském pro lidský život. (kredit: Melanie Ko/flickr)
Homeostatická nerovnováha: Dekompresní nemoc
Dekompresní nemoc (DCS) je stav, kdy se po snížení tlaku v těle přestanou rozpouštět plyny rozpuštěné v krvi nebo v jiných tělesných tkáních. Tento stav postihuje potápěče pod vodou, kteří se příliš rychle vynoří z hlubokého ponoru, a může postihnout piloty letící ve velkých výškách v letadlech s beztlakovou kabinou. Potápěči tento stav často nazývají “ohnutí”, což je odkaz na bolest kloubů, která je příznakem DCS.
Ve všech případech je DCS vyvolán snížením barometrického tlaku. Ve vysoké nadmořské výšce je barometrický tlak mnohem nižší než na zemském povrchu, protože tlak vzniká tíhou sloupce vzduchu nad tělem, který na tělo tlačí. Velmi vysoký tlak na potápěče v hluboké vodě je podobně způsoben tíhou vodního sloupce, který tlačí na tělo. U potápěčů se DCS vyskytuje při normálním barometrickém tlaku (na úrovni hladiny moře), ale je vyvolán relativně rychlým poklesem tlaku, když potápěči stoupají z podmínek vysokého tlaku v hluboké vodě do nyní nízkého tlaku v porovnání s hladinou moře. Není překvapivé, že potápění v hlubokých horských jezerech, kde je barometrický tlak na hladině jezera nižší než na úrovni moře, má větší pravděpodobnost vzniku DCS než potápění ve vodě na úrovni moře.
Při DCS se plyny rozpuštěné v krvi (především dusík) rychle uvolňují z roztoku a vytvářejí bubliny v krvi a v dalších tělesných tkáních. K tomu dochází proto, že když se sníží tlak plynu nad kapalinou, sníží se i množství plynu, které může zůstat rozpuštěné v kapalině. Právě tlak vzduchu udržuje normální krevní plyny rozpuštěné v krvi. Když se tlak sníží, zůstane rozpuštěno méně plynu. Sami jste se o tom přesvědčili, když jste otevřeli sycený nápoj. Odstraněním těsnění lahve se sníží tlak plynu nad tekutinou. To následně způsobí vznik bublinek, protože rozpuštěné plyny (v tomto případě oxid uhličitý) se dostanou z roztoku v tekutině.
Nejčastějšími příznaky DCS jsou bolesti kloubů, bolest hlavy a poruchy vidění se vyskytují v 10 až 15 procentech případů. Neléčená velmi těžká DCS může vyústit ve smrt. Okamžitá léčba je pomocí čistého kyslíku. Postižený je poté přemístěn do hyperbarické komory. Hyperbarická komora je vyztužená uzavřená komora, ve které je tlak vyšší než atmosférický. Léčba DCS probíhá tak, že se v těle vytvoří podtlak, takže tlak může být následně odstraňován mnohem pozvolněji. Protože hyperbarická komora přivádí do těla kyslík pod vysokým tlakem, zvyšuje koncentraci kyslíku v krvi. To má za následek nahrazení části dusíku v krvi kyslíkem, který se lépe snáší mimo roztok.
Dinamický tlak tělesných tekutin je také důležitý pro přežití člověka. Například krevní tlak, což je tlak, který vyvíjí krev při proudění v cévách, musí být dostatečně velký, aby se krev dostala do všech tělesných tkání, a zároveň dostatečně nízký, aby jemné cévy vydržely tření a sílu pulzujícího proudu natlakované krve.
Druhý příklad pozitivní zpětné vazby se zaměřuje na zvrácení extrémního poškození organismu. Po penetrujícím poranění je nejbezprostřednější hrozbou nadměrná ztráta krve. Méně cirkulující krve znamená snížení krevního tlaku a snížení perfuze (pronikání krve) do mozku a dalších životně důležitých orgánů. Pokud je perfuze výrazně snížena, dojde k selhání životně důležitých orgánů a člověk zemře. Tělo na tuto potenciální katastrofu reaguje uvolněním látek v poraněné cévní stěně, které zahájí proces srážení krve. Při každém kroku srážení dochází ke stimulaci uvolňování dalších srážecích látek. Tím se urychlují procesy srážení a uzavírání poškozeného místa. Srážení je omezeno na lokální oblast na základě přísně kontrolované dostupnosti srážecích proteinů. Jedná se o adaptivní, život zachraňující kaskádu dějů.