Læringsmål
- Diskutere ilt og næringsstoffers betydning for menneskets overlevelse
- Forklare, hvorfor ekstrem varme og ekstrem kulde truer menneskets overlevelse
- Forklar, hvordan det tryk, der udøves af gasser og væsker, påvirker menneskets overlevelse
- Diskutere, hvilken rolle homøostase spiller for sund funktion
- Kontrast mellem negativ og positiv feedback, og giv et fysiologisk eksempel på hver mekanisme
Mennesker har tilpasset sig livet på Jorden i mindst de sidste 200.000 år. Jorden og dens atmosfære har givet os luft at indånde, vand at drikke og mad at spise, men det er ikke de eneste krav for at overleve. Selv om du måske sjældent tænker over det, kan du heller ikke leve uden for et bestemt temperatur- og trykområde, som overfladen af vores planet og dens atmosfære giver dig. De næste afsnit undersøger disse fire krav til livet.
Syre
Luften i atmosfæren består kun af ca. 20 procent ilt, men denne ilt er en vigtig komponent i de kemiske reaktioner, der holder kroppen i live, herunder de reaktioner, der producerer ATP. Hjerneceller er særligt følsomme over for iltmangel på grund af deres krav om en høj og konstant produktion af ATP. Hjerneskade er sandsynlig inden for fem minutter uden ilt, og døden er sandsynlig inden for ti minutter.
Næringsstoffer
Et næringsstof er et stof i fødevarer og drikkevarer, som er afgørende for menneskets overlevelse. De tre grundlæggende klasser af næringsstoffer er vand, de energigivende og kropsopbyggende næringsstoffer og mikronæringsstoffer (vitaminer og mineraler).
Det mest kritiske næringsstof er vand. Afhængigt af omgivelsernes temperatur og vores sundhedstilstand kan vi måske kun overleve i nogle få dage uden vand. Kroppens funktionelle kemikalier opløses og transporteres i vand, og livets kemiske reaktioner finder sted i vand. Desuden er vand den største bestanddel af celler, blod og væsken mellem cellerne, og vand udgør ca. 70 % af en voksen persons kropsmasse. Vand er også med til at regulere vores indre temperatur og polstrer, beskytter og smører leddene og mange andre kropsstrukturer.
De energigivende næringsstoffer er primært kulhydrater og lipider, mens proteiner hovedsageligt leverer de aminosyrer, der er byggestenene i selve kroppen. Du indtager disse i vegetabilske og animalske fødevarer og drikkevarer, og fordøjelsessystemet nedbryder dem til molekyler, der er små nok til at blive optaget. Nedbrydningsprodukterne fra kulhydrater og lipider kan derefter anvendes i de metaboliske processer, der omdanner dem til ATP. Selv om du måske føler, at du sulter efter at have manglet et enkelt måltid, kan du overleve uden at indtage de energigivende næringsstoffer i mindst flere uger.
Vand og de energigivende næringsstoffer kaldes også for makronæringsstoffer, fordi kroppen har brug for dem i store mængder. Mikronæringsstoffer er derimod vitaminer og mineraler. Disse grundstoffer og forbindelser deltager i mange vigtige kemiske reaktioner og processer, f.eks. nerveimpulser, og nogle, som f.eks. calcium, bidrager også til kroppens struktur. Din krop kan lagre nogle af mikronæringsstofferne i vævene og trække på disse reserver, hvis du undlader at indtage dem i din kost i et par dage eller uger. Nogle andre mikronæringsstoffer, f.eks. C-vitamin og de fleste B-vitaminer, er vandopløselige og kan ikke lagres, så du skal indtage dem hver eller hver anden dag.
Smalt temperaturområde
Du har sikkert set nyhedshistorier om atleter, der døde af hedeslag, eller om vandrere, der døde af kulde. Sådanne dødsfald sker, fordi de kemiske reaktioner, som kroppen er afhængig af, kun kan finde sted inden for et snævert område af kropstemperaturen, fra lige under til lige over 37°C (98,6°F). Når kropstemperaturen stiger langt over eller falder langt under det normale niveau, mister visse proteiner (enzymer), der letter de kemiske reaktioner, deres normale struktur og deres evne til at fungere, og de kemiske reaktioner i stofskiftet kan ikke fortsætte.
Figur 1. Ekstrem varme. Mennesker tilpasser sig til en vis grad til gentagen udsættelse for høje temperaturer. (credit: McKay Savage/flickr)
Det sagt kan kroppen reagere effektivt på kortvarig udsættelse for varme (figur 1) eller kulde (figur 1). En af kroppens reaktioner på varme er naturligvis at svede. Når sveden fordamper fra huden, fjerner den noget varmeenergi fra kroppen og afkøler den. Tilstrækkeligt vand (fra den ekstracellulære væske i kroppen) er nødvendigt for at producere sved, så et tilstrækkeligt væskeindtag er vigtigt for at udligne tabet under svedreaktionen. Det er ikke overraskende, at svedreaktionen er meget mindre effektiv i et fugtigt miljø, fordi luften allerede er mættet med vand. Sveden på hudens overflade er således ikke i stand til at fordampe, og den indre kropstemperatur kan blive faretruende høj.
Kroppen kan også reagere effektivt på kortvarig udsættelse for kulde. En reaktion på kulde er rysten, som er en tilfældig muskelbevægelse, der genererer varme. En anden reaktion er øget nedbrydning af lagret energi for at generere varme. Når denne energireserve imidlertid er opbrugt, og kernetemperaturen begynder at falde betydeligt, vil de røde blodlegemer miste deres evne til at afgive ilt, hvilket fratager hjernen denne kritiske komponent i ATP-produktionen. Denne iltmangel kan forårsage forvirring, sløvhed og i sidste ende bevidstløshed og død. Kroppen reagerer på kulde ved at reducere blodcirkulationen til ekstremiteterne, hænder og fødder, for at forhindre blodet i at afkøle der, og for at kroppens kerne kan holde sig varm. Selv når kroppens kernetemperatur forbliver stabil, kan væv, der udsættes for stærk kulde, især fingre og tæer, imidlertid udvikle forfrysninger, når blodgennemstrømningen til ekstremiteterne er blevet meget reduceret. Denne form for vævsskade kan være permanent og føre til koldbrand, hvilket kræver amputation af det berørte område.
Everyday Connection: Kontrolleret hypotermi
Som du har lært, deltager kroppen løbende i koordinerede fysiologiske processer for at opretholde en stabil temperatur. I nogle tilfælde kan det imidlertid være nyttigt eller endog livreddende at tilsidesætte dette system. Hypotermi er den kliniske betegnelse for en unormalt lav kropstemperatur (hypo- = “under” eller “under”). Kontrolleret hypotermi er klinisk induceret hypotermi, der udføres for at reducere stofskiftet i et organ eller i hele kroppen.
Kontrolleret hypotermi anvendes ofte, f.eks. under operationer med åbent hjerte, fordi det mindsker hjernens, hjertets og andre organers stofskiftebehov, hvilket reducerer risikoen for skader på dem. Når kontrolleret hypotermi anvendes klinisk, får patienten medicin for at forhindre rystelser. Kroppen afkøles derefter til 25-32 °C (79-89 °F). Hjertet stoppes, og en ekstern hjerte-lunge-pumpe opretholder cirkulationen i patientens krop. Hjertet køles yderligere ned og holdes ved en temperatur på under 15 °C (60 °F) under hele operationen. Denne meget kolde temperatur hjælper hjertemusklen til at tolerere den manglende blodforsyning under operationen.
Nogle læger på skadestuer bruger kontrolleret hypotermi for at reducere skader på hjertet hos patienter, der har fået hjertestop. På skadestuen fremkalder lægen koma og sænker patientens kropstemperatur til ca. 91 grader. Denne tilstand, som opretholdes i 24 timer, sænker patientens stofskifte. Da patientens organer har brug for mindre blod for at fungere, reduceres hjertets arbejdsbyrde.
Næringsområde for atmosfærisk tryk
Tryk er en kraft, der udøves af et stof, som er i kontakt med et andet stof. Atmosfærisk tryk er det tryk, der udøves af blandingen af gasser (primært nitrogen og oxygen) i Jordens atmosfære. Selv om du måske ikke opfatter det, presser det atmosfæriske tryk konstant ned på din krop. Dette tryk holder gasser i din krop, som f.eks. det gasformige nitrogen i kropsvæsker, opløst. Hvis du pludselig blev kastet ud fra et rumskib over Jordens atmosfære, ville du gå fra en situation med normalt tryk til en situation med meget lavt tryk. Trykket af kvælstofgassen i dit blod ville være meget højere end trykket af kvælstof i det rum, der omgiver din krop. Som følge heraf ville kvælstofgassen i dit blod udvide sig og danne bobler, der kunne blokere blodkarrene og endda få cellerne til at gå i stykker.
Atmosfærisk tryk gør mere end blot at holde blodgasser opløst. Din evne til at trække vejret – det vil sige at optage ilt og frigive kuldioxid – afhænger også af et præcist atmosfærisk tryk. Højdesyge opstår til dels, fordi atmosfæren i store højder udøver et mindre tryk, hvilket reducerer udvekslingen af disse gasser og forårsager åndenød, forvirring, hovedpine, sløvhed og kvalme. Bjergbestigere bærer ilt med sig for at mindske virkningerne af både lavt iltniveau og lavt barometertryk i større højder (figur 2).
Figur 2. Barske forhold. Bjergbestigere på Mount Everest må klare ekstrem kulde, lavt iltniveau og lavt barometertryk i et miljø, der er fjendtligt over for menneskeliv. (credit: Melanie Ko/flickr)
Homeostatic Imbalances: Dekompressionssygdom
Dekompressionssygdom (DCS) er en tilstand, hvor gasser, der er opløst i blodet eller i andre kropsvæv, ikke længere opløses efter en reduktion af trykket på kroppen. Denne tilstand rammer undervandsdykkere, der kommer op til overfladen for hurtigt fra et dybt dyk, og den kan ramme piloter, der flyver i stor højde i fly med kabiner uden tryk. Dykkere kalder ofte denne tilstand for “the bends”, en henvisning til ledsmerter, som er et symptom på DCS.
I alle tilfælde fremkaldes DCS af et fald i det barometriske tryk. I stor højde er det barometriske tryk meget mindre end på jordens overflade, fordi trykket opstår ved, at vægten af luftsøjlen over kroppen presser ned på kroppen. Det meget store tryk på dykkere i dybt vand skyldes ligeledes vægten af en vandsøjle, der presser ned på kroppen. For dykkere opstår DCS ved normalt barometertryk (på havniveau), men det fremkaldes af det relativt hurtige fald i trykket, når dykkere stiger fra det høje tryk i dybt vand til det til sammenligning lave tryk på havniveau. Det er ikke overraskende, at dykning i dybe bjergsøer, hvor det barometriske tryk ved søens overflade er lavere end ved havoverfladen, er mere tilbøjelig til at resultere i DCS end dykning i vand på havoverfladen.
I DCS kommer gasser opløst i blodet (primært nitrogen) hurtigt ud af opløsning og danner bobler i blodet og i andre kropsvæv. Dette sker, fordi når trykket af en gas over en væske mindskes, mindskes den mængde gas, der kan forblive opløst i væsken, også. Det er lufttrykket, der holder dine normale blodgasser opløst i blodet. Når trykket reduceres, forbliver mindre gas opløst. Du har set dette i praksis, når du åbner en kulsyreholdig drik. Når du fjerner forseglingen af flasken, reduceres gassens tryk over væsken. Dette forårsager igen bobler, da opløste gasser (i dette tilfælde kuldioxid) kommer ud af opløsningen i væsken.
De mest almindelige symptomer på DCS er smerter i leddene, med hovedpine og synsforstyrrelser, der forekommer i 10 procent til 15 procent af tilfældene. Ubehandlet kan meget alvorlig DCS føre til døden. Umiddelbar behandling er med ren ilt. Den ramte person flyttes derefter ind i et hyperbarisk kammer. Et hyperbarisk kammer er et forstærket, lukket kammer, der er sat under et tryk, der er højere end det atmosfæriske tryk. Det behandler DCS ved at sætte kroppen under tryk, således at trykket kan fjernes meget mere gradvist. Fordi det hyperbare kammer tilfører ilt til kroppen ved højt tryk, øges koncentrationen af ilt i blodet. Dette har den virkning, at noget af kvælstoffet i blodet erstattes af ilt, som er lettere at tolerere ud af opløsningen.
Det dynamiske tryk i kropsvæsker er også vigtigt for menneskers overlevelse. For eksempel skal blodtrykket, som er det tryk, der udøves af blodet, når det flyder i blodkarrene, være stort nok til, at blodet kan nå ud til alle kroppens væv, og alligevel lavt nok til at sikre, at de sarte blodkar kan modstå friktionen og kraften fra den pulserende strøm af blod under tryk.
Et andet eksempel på positiv feedback drejer sig om at vende ekstreme skader på kroppen. Efter et penetrerende sår er den mest umiddelbare trussel et overdrevent blodtab. Mindre blod, der cirkulerer, betyder nedsat blodtryk og nedsat perfusion (indtrængning af blod) til hjernen og andre vitale organer. Hvis perfusionen er alvorligt reduceret, vil vitale organer lukke ned, og personen vil dø. Kroppen reagerer på denne potentielle katastrofe ved at frigive stoffer i den beskadigede blodkarvæg, som sætter blodproppen i gang. Efterhånden som hvert enkelt trin af koaguleringen sker, stimuleres frigivelsen af flere koaguleringsstoffer. Dette fremskynder koaguleringsprocessen og forseglingen af det beskadigede område. Koagulationen er begrænset til et lokalt område baseret på den nøje kontrollerede tilgængelighed af koagulationsproteiner. Der er tale om en adaptiv, livreddende kaskade af begivenheder.