Oppimistavoitteet
- Keskustellaan hapen ja ravintoaineiden merkitystä ihmisen eloonjäämisen ylläpitämisessä
- selitetään, miksi äärimmäinen kuumuus ja äärimmäinen kylmyys uhkaavat ihmisen selviytymistä
- Erittele, miten kaasujen ja nesteiden aiheuttama paine vaikuttaa ihmisen selviytymiseen
- Keskustele homeostaasin roolista terveessä toiminnassa
- Kontrastoi negatiivista ja positiivista palautetta, antamalla yksi fysiologinen esimerkki kustakin mekanismista
Ihmiset ovat sopeutuneet elämään maapallolla ainakin viimeisten 200 000 vuoden ajan. Maapallo ja sen ilmakehä ovat tarjonneet meille ilmaa hengitettäväksi, vettä juotavaksi ja ruokaa syötäväksi, mutta nämä eivät ole ainoat selviytymisvaatimukset. Vaikka sitä ehkä harvoin ajatteleekin, emme myöskään voi elää tietyn lämpötila- ja painealueen ulkopuolella, jonka planeettamme pinta ja sen ilmakehä tarjoavat. Seuraavissa kappaleissa tarkastellaan näitä neljää elämän vaatimusta.
Happi
Atmosfääri-ilmassa on vain noin 20 prosenttia happea, mutta tämä happi on keskeinen osa kemiallisia reaktioita, jotka pitävät elimistön hengissä, mukaan lukien ATP:tä tuottavat reaktiot. Aivosolut ovat erityisen herkkiä hapenpuutteelle, koska ne tarvitsevat runsaasti ja jatkuvasti ATP:n tuotantoa. Aivovaurio on todennäköinen viidessä minuutissa ilman happea, ja kuolema on todennäköinen kymmenessä minuutissa.
Ravintoaineet
Ravintoaine on elintarvikkeissa ja juomissa oleva aine, joka on välttämätön ihmisen selviytymisen kannalta. Ravintoaineiden kolme perusluokkaa ovat vesi, energiaa tuottavat ja elimistöä rakentavat ravintoaineet sekä hivenaineet (vitamiinit ja kivennäisaineet).
Kriittisin ravintoaine on vesi. Ympäristön lämpötilasta ja terveydentilastamme riippuen voimme selvitä hengissä vain muutaman päivän ilman vettä. Elimistön toiminnalliset kemikaalit liukenevat ja kulkeutuvat veteen, ja elämän kemialliset reaktiot tapahtuvat vedessä. Lisäksi vesi on solujen, veren ja solujen välisen nesteen suurin komponentti, ja vesi muodostaa noin 70 prosenttia aikuisen kehon massasta. Vesi auttaa myös säätelemään sisälämpötilaamme ja pehmentää, suojaa ja voitelee niveliä ja monia muita kehon rakenteita.
Energiaa tuottavat ravintoaineet ovat pääasiassa hiilihydraatteja ja lipidejä, kun taas valkuaisaineet toimittavat pääasiassa aminohappoja, jotka ovat itse elimistön rakennusaineita. Näitä nautitaan kasvi- ja eläinperäisissä elintarvikkeissa ja juomissa, ja ruoansulatusjärjestelmä pilkkoo ne riittävän pieniksi molekyyleiksi, jotta ne voivat imeytyä. Hiilihydraattien ja rasvojen hajoamistuotteet voidaan sitten käyttää aineenvaihduntaprosesseissa, jotka muuttavat ne ATP:ksi. Vaikka yhden aterian väliin jättämisen jälkeen saattaa tuntua siltä, että on nälkä, voi selvitä ilman energiaa tuottavien ravintoaineiden nauttimista ainakin useita viikkoja.
Vettä ja energiaa tuottavia ravintoaineita kutsutaan myös makroravintoaineiksi, koska elimistö tarvitsee niitä suuria määriä. Mikroravintoaineita sen sijaan ovat vitamiinit ja kivennäisaineet. Nämä alkuaineet ja yhdisteet osallistuvat moniin välttämättömiin kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin, kuten hermoimpulsseihin, ja jotkut, kuten kalsium, vaikuttavat myös elimistön rakenteeseen. Kehosi voi varastoida joitakin mikroravintoaineita kudoksiinsa ja käyttää näitä varastoja, jos et nauti niitä ruokavaliossasi muutamaan päivään tai viikkoon. Jotkin muut hivenaineet, kuten C-vitamiini ja useimmat B-vitamiinit, ovat vesiliukoisia, eikä niitä voi varastoida, joten niitä on nautittava joka päivä tai joka toinen päivä.
Lämpötilan kapea vaihteluväli
Olet luultavasti nähnyt uutisjuttuja urheilijoista, jotka kuolivat lämpöhalvaukseen, tai vaeltajista, jotka kuolivat kylmälle altistumiseen. Tällaiset kuolemat johtuvat siitä, että kemialliset reaktiot, joista elimistö on riippuvainen, voivat tapahtua vain kapealla ruumiinlämpötila-alueella, hieman alle ja hieman yli 37 °C:n (98,6 °F). Kun ruumiinlämpö nousee reilusti yli tai laskee reilusti alle normaalin lämpötilan, tietyt kemiallisia reaktioita helpottavat proteiinit (entsyymit) menettävät normaalin rakenteensa ja toimintakykynsä, eivätkä aineenvaihdunnan kemialliset reaktiot voi jatkua.
Kuva 1. Äärimmäinen kuumuus. Ihminen sopeutuu jossain määrin toistuvaan altistumiseen korkeille lämpötiloille. (luotto: McKay Savage/flickr)
Keho voi kuitenkin reagoida tehokkaasti lyhytaikaiseen altistumiseen kuumuudelle (kuva 1) tai kylmyydelle. Yksi kehon reaktioista kuumuuteen on tietenkin hikoilu. Kun hiki haihtuu iholta, se poistaa osan lämpöenergiasta kehosta jäähdyttäen sitä. Hikoiluun tarvitaan riittävästi vettä (kehon solunulkoisesta nesteestä), joten riittävä nesteen saanti on välttämätöntä, jotta hikoiluvasteen aikana tapahtuva nestehukka saadaan tasapainotettua. Ei ole yllättävää, että hikireaktio on paljon tehottomampi kosteassa ympäristössä, koska ilma on jo valmiiksi vedellä kyllästettyä. Näin ollen ihon pinnalla oleva hiki ei pääse haihtumaan, ja kehon sisälämpötila voi nousta vaarallisen korkeaksi.
Keho voi reagoida tehokkaasti myös lyhytaikaiseen kylmäaltistukseen. Yksi reaktio kylmään on vapina, joka on satunnaista lihasten liikettä, joka tuottaa lämpöä. Toinen vaste on varastoidun energian lisääntynyt hajottaminen lämmön tuottamiseksi. Kun tämä energiavarasto kuitenkin tyhjenee ja sisälämpötila alkaa laskea merkittävästi, punasolut menettävät kykynsä luovuttaa happea, jolloin aivot menettävät tämän ATP:n tuotannon kriittisen komponentin. Tämä hapenpuute voi aiheuttaa sekavuutta, letargiaa ja lopulta tajunnan menetyksen ja kuoleman. Keho reagoi kylmään vähentämällä verenkiertoa raajoihin, käsiin ja jalkoihin, jotta veri ei jäähtyisi siellä ja jotta kehon ydin pysyisi lämpimänä. Vaikka kehon sisälämpötila pysyisi vakaana, kovalle kylmälle altistuneet kudokset, erityisesti sormet ja varpaat, voivat kuitenkin saada paleltumia, kun verenkierto raajoihin on vähentynyt huomattavasti. Tämä kudosvaurion muoto voi olla pysyvä ja johtaa kuolioon, joka edellyttää vaurioituneen alueen amputaatiota.
Everyday Connection: Hallittu hypotermia
Kuten olet oppinut, keho osallistuu jatkuvasti koordinoituihin fysiologisiin prosesseihin pitääkseen lämpötilan vakaana. Joissakin tapauksissa tämän järjestelmän ohittaminen voi kuitenkin olla hyödyllistä tai jopa hengenpelastavaa. Hypotermia on kliininen termi epätavallisen alhaiselle ruumiinlämpötilalle (hypo- = “alle” tai “alle”). Hallittu hypotermia on kliinisesti aikaansaatu hypotermia, joka suoritetaan jonkin elimen tai henkilön koko kehon aineenvaihdunnan vähentämiseksi.
Hallittua hypotermiaa käytetään usein esimerkiksi avosydänleikkauksen aikana, koska se vähentää aivojen, sydämen ja muiden elinten aineenvaihdunnan tarvetta ja vähentää niiden vaurioitumisen riskiä. Kun kontrolloitua hypotermiaa käytetään kliinisesti, potilaalle annetaan lääkitystä vapinan estämiseksi. Sen jälkeen keho jäähdytetään 25-32 °C:een (79-89 °F). Sydän pysäytetään, ja ulkoinen sydän-keuhkopumppu ylläpitää verenkiertoa potilaan kehossa. Sydän jäähdytetään edelleen ja pidetään alle 15 °C:n (60 °F) lämpötilassa leikkauksen ajan. Tämä hyvin kylmä lämpötila auttaa sydänlihasta sietämään verenkierron puutetta leikkauksen aikana.
Joidenkin päivystysosastojen lääkärit käyttävät hallittua hypotermiaa vähentääkseen sydänvaurioita sydänpysähdyksen saaneilla potilailla. Päivystysosastolla lääkäri saa aikaan kooman ja laskee potilaan ruumiinlämmön noin 91 asteeseen. Tämä tila, jota ylläpidetään 24 tunnin ajan, hidastaa potilaan aineenvaihduntaa. Koska potilaan elimet tarvitsevat vähemmän verta toimiakseen, sydämen työkuorma vähenee.
Atmosfäärin paineen suppea alue
Paine on aineen aiheuttama voima, joka on kosketuksissa toisen aineen kanssa. Ilmakehän paine on paine, jota Maan ilmakehän kaasuseos (pääasiassa typpi ja happi) aiheuttaa. Vaikka et ehkä havaitse sitä, ilmakehän paine painaa jatkuvasti kehoasi. Tämä paine pitää kehossasi olevat kaasut, kuten kehon nesteiden kaasumaisen typen, liuenneina. Jos sinut yhtäkkiä lennätettäisiin avaruusaluksesta Maan ilmakehän yläpuolella, siirtyisit normaalipaineisesta tilanteesta hyvin matalapaineiseen tilanteeseen. Veressäsi olevan typpikaasun paine olisi paljon korkeampi kuin kehoasi ympäröivän tilan typen paine. Tämän seurauksena veressäsi oleva typpikaasu laajenisi muodostaen kuplia, jotka voisivat tukkia verisuonet ja jopa aiheuttaa solujen hajoamisen.
Atmosfäärin paine tekee muutakin kuin vain pitää verikaasut liuenneina. Kykysi hengittää – eli ottaa happea ja vapauttaa hiilidioksidia – riippuu myös tarkasta ilmanpaineesta. Korkeuspahoinvointi johtuu osittain siitä, että korkealla ilmakehän paine on pienempi, mikä vähentää näiden kaasujen vaihtoa ja aiheuttaa hengenahdistusta, sekavuutta, päänsärkyä, uneliaisuutta ja pahoinvointia. Vuorikiipeilijät kantavat mukanaan happea vähentääkseen sekä alhaisen happipitoisuuden että alhaisen ilmanpaineen vaikutuksia korkeammilla paikoilla (kuva 2).
Kuva 2. Ankarat olosuhteet. Mount Everestin kiipeilijöiden on sopeuduttava äärimmäiseen kylmyyteen, alhaiseen happipitoisuuteen ja alhaiseen ilmanpaineeseen ihmiselämälle vihamielisessä ympäristössä. (luotto: Melanie Ko/flickr)
Homeostaattinen epätasapaino: Dekompressiosairaus
Dekompressiosairaus (DCS) on tila, jossa vereen tai muihin kehon kudoksiin liuenneet kaasut eivät enää liukene kehon paineen alenemisen jälkeen. Tämä tila vaikuttaa vedenalaisiin sukeltajiin, jotka nousevat pintaan liian nopeasti syvästä sukelluksesta, ja se voi vaikuttaa lentäjiin, jotka lentävät suurissa korkeuksissa lentokoneissa, joissa ei ole paineistettua ohjaamoa. Sukeltajat kutsuvat tätä tilaa usein nimellä “the bends”, mikä viittaa nivelkipuihin, jotka ovat DCS:n oire.
Kaikkiin tapauksiin DCS:n aiheuttaa barometrisen paineen aleneminen. Suuressa korkeudessa barometrinen paine on paljon pienempi kuin maan pinnalla, koska paine syntyy kehon yläpuolella olevan ilmapatsaan painosta, joka painaa kehoa alaspäin. Syvässä vedessä sukeltajiin kohdistuvat erittäin suuret paineet johtuvat niin ikään kehoa painavan vesipatsaan painosta. Sukeltajilla DCS:ää esiintyy normaalissa barometrisessä paineessa (merenpinnan tasolla), mutta se johtuu suhteellisen nopeasta paineen laskusta, kun sukeltajat nousevat syvän veden korkeasta paineesta merenpinnan paineeseen, joka on nyt vertailun vuoksi alhainen. Ei ole yllättävää, että sukeltaminen syvissä vuoristojärvissä, joissa barometrinen paine järven pinnalla on alhaisempi kuin merenpinnan tasolla, johtaa todennäköisemmin DCS:ään kuin sukeltaminen vedessä merenpinnan tasolla.
DCS:ssä vereen liuenneet kaasut (pääasiassa typpi) irtoavat nopeasti liuoksesta muodostaen kuplia vereen ja muihin kehon kudoksiin. Tämä johtuu siitä, että kun kaasun paine nesteen päällä pienenee, pienenee myös nesteeseen liuenneena pysyvän kaasun määrä. Ilmanpaine pitää normaalit verikaasut liuenneina vereen. Kun paine laskee, vähemmän kaasua jää liukenemaan. Olet nähnyt tämän, kun avaat hiilihappopitoisen juoman. Pullon sinetin poistaminen vähentää kaasun painetta nesteen päällä. Tämä puolestaan aiheuttaa kuplia, kun liuenneet kaasut (tässä tapauksessa hiilidioksidi) irtoavat nesteeseen liuenneista kaasuista.
Yleisimmät DCS:n oireet ovat nivelkipu, ja päänsärkyä ja näköhäiriöitä esiintyy 10-15 prosentissa tapauksista. Hoitamattomana hyvin vaikea DCS voi johtaa kuolemaan. Välitön hoito on puhdasta happea. Tämän jälkeen sairastunut henkilö siirretään ylipainehappikammioon. Ylipainehappokammio on vahvistettu, suljettu kammio, jonka paine on suurempi kuin ilmakehän paine. Siinä DCS:ää hoidetaan paineistamalla keho, jolloin paine voidaan poistaa paljon asteittain. Koska ylipainekammiossa kehoon johdetaan happea korkeassa paineessa, se lisää veren happipitoisuutta. Tällä on se vaikutus, että osa veren typestä korvataan hapella, jota on helpompi sietää liuoksesta.
Kehon nesteiden dynaaminen paine on myös tärkeä ihmisen selviytymisen kannalta. Esimerkiksi verenpaineen eli paineen, jota veri harjoittaa virratessaan verisuonissa, on oltava riittävän suuri, jotta veri pääsee kaikkiin kehon kudoksiin, ja kuitenkin riittävän alhainen, jotta herkät verisuonet kestävät paineistetun veren sykkivän virtauksen aiheuttaman kitkan ja voiman.
Toinen esimerkki positiivisesta takaisinkytkennästä keskittyy elimistöön kohdistuvien äärimmäisten vaurioiden kumoamiseen. Lävistävän haavan jälkeen välittömin uhka on liiallinen verenhukka. Vähemmän kiertävä veri tarkoittaa alentunutta verenpainetta ja heikentynyttä perfuusiota (veren tunkeutumista) aivoihin ja muihin elintärkeisiin elimiin. Jos perfuusio vähenee vakavasti, elintärkeät elimet pysähtyvät ja henkilö kuolee. Elimistö reagoi tähän mahdolliseen katastrofiin vapauttamalla loukkaantuneen verisuonen seinämässä aineita, jotka aloittavat veren hyytymisprosessin. Kun jokainen hyytymisvaihe tapahtuu, se stimuloi uusien hyytymisaineiden vapautumista. Tämä nopeuttaa hyytymisprosessia ja vaurioituneen alueen sulkemista. Hyytyminen rajoittuu paikalliseen alueeseen, joka perustuu hyytymisproteiinien tiukasti hallittuun saatavuuteen. Tämä on adaptiivinen, elämää pelastava tapahtumakaskadi.