Tanulmányi célok
- Az oxigén és a tápanyagok szerepének tárgyalása az emberi túlélés fenntartásában
- Magyarázza, hogy a szélsőséges hőség miért van hatással az emberi életre. és a szélsőséges hideg miért veszélyezteti az emberi túlélést
- Magyarázza, hogy a gázok és folyadékok által kifejtett nyomás hogyan befolyásolja az emberi túlélést
- Tárgyalja a homeosztázis szerepét az egészséges működésben
- Hasonlítsa össze a negatív és pozitív visszacsatolást, Adjon egy-egy élettani példát mindegyik mechanizmusra
Az emberek legalább az elmúlt 200 000 évben alkalmazkodtak a földi élethez. A Föld és légköre biztosította számunkra a levegőt, amit belélegezhetünk, a vizet, amit ihatunk, és az élelmet, amit megehetünk, de nem ezek az egyedüli követelmények a túléléshez. Bár talán ritkán gondolunk rá, a bolygónk felszíne és légköre által biztosított bizonyos hőmérséklet- és nyomástartományon kívül nem is tudunk élni. A következő fejezetekben az élet e négy követelményét vizsgáljuk meg.
Az oxigén
A légköri levegő csak körülbelül 20 százalékban tartalmaz oxigént, de ez az oxigén kulcsfontosságú összetevője a szervezetet életben tartó kémiai reakcióknak, beleértve az ATP-t előállító reakciókat is. Az agysejtek különösen érzékenyek az oxigénhiányra, mivel nagy és folyamatos ATP-termelésre van szükségük. Oxigén nélkül öt percen belül agykárosodás, tíz percen belül pedig halál valószínűsíthető.
Tápanyagok
A tápanyag olyan anyag az élelmiszerekben és italokban, amely az emberi túléléshez nélkülözhetetlen. A tápanyagok három alapvető osztálya a víz, az energiát adó és a szervezetet felépítő tápanyagok, valamint a mikrotápanyagok (vitaminok és ásványi anyagok).
A legkritikusabb tápanyag a víz. A környezeti hőmérséklettől és egészségi állapotunktól függően csak néhány napig vagyunk képesek életben maradni víz nélkül. A szervezet funkcionális vegyi anyagai vízben oldódnak és szállítódnak, és az élet kémiai reakciói is vízben zajlanak. Ezenkívül a víz a sejtek, a vér és a sejtek közötti folyadék legnagyobb összetevője, és a víz teszi ki egy felnőtt ember testtömegének mintegy 70 százalékát. A víz segít a belső hőmérsékletünk szabályozásában is, valamint párnázza, védi és keni az ízületeket és számos más testszerkezetet.
Az energiát adó tápanyagok elsősorban szénhidrátok és lipidek, míg a fehérjék főként az aminosavakat szolgáltatják, amelyek magának a testnek az építőkövei. Ezeket növényi és állati eredetű ételekkel és italokkal vesszük magunkhoz, és az emésztőrendszer elég kicsi molekulákra bontja őket ahhoz, hogy felszívódjanak. A szénhidrátok és a lipidek bomlástermékei ezután felhasználhatók az anyagcsere-folyamatokban, amelyek ATP-vé alakítják őket. Bár egyetlen étkezés kihagyása után úgy érezhetjük, hogy éhezünk, az energiát adó tápanyagok fogyasztása nélkül is túlélhetünk legalább több hétig.
A vizet és az energiát adó tápanyagokat makrotápanyagoknak is nevezik, mert a szervezetnek nagy mennyiségben van rájuk szüksége. Ezzel szemben a mikrotápanyagok a vitaminok és az ásványi anyagok. Ezek az elemek és vegyületek számos alapvető kémiai reakcióban és folyamatban, például az idegimpulzusokban vesznek részt, és egyesek, például a kalcium, a szervezet felépítéséhez is hozzájárulnak. A szervezet képes a mikrotápanyagok egy részét elraktározni a szöveteiben, és ezekből a tartalékokból meríthet, ha néhány napig vagy hétig nem fogyasztja őket az étrendjében. Néhány más mikrotápanyag, mint például a C-vitamin és a legtöbb B-vitamin, vízben oldódik, és nem tárolható, ezért naponta vagy kétnaponta kell fogyasztani őket.
Szűk hőmérsékleti tartomány
Valószínűleg láttál már híreket sportolókról, akik hőgutában haltak meg, vagy túrázókról, akik a hidegben haltak meg. Az ilyen halálesetek azért következnek be, mert a kémiai reakciók, amelyektől a szervezet függ, csak egy szűk testhőmérséklet-tartományon belül, a 37°C alatti és a 37°C feletti hőmérsékleten belül tudnak lezajlani. Amikor a testhőmérséklet jóval a normál érték fölé emelkedik vagy jóval az alá csökken, bizonyos fehérjék (enzimek), amelyek elősegítik a kémiai reakciókat, elveszítik normális szerkezetüket és működési képességüket, és az anyagcsere kémiai reakciói nem tudnak lezajlani.
1. ábra. Extrém hőség. Az emberek bizonyos fokig alkalmazkodnak a magas hőmérsékletnek való ismételt kitettséghez. (credit: McKay Savage/flickr)
Ezzel együtt a szervezet képes hatékonyan reagálni a rövid távú hő- (1. ábra) vagy hideghatásra. A test egyik válasza a melegre természetesen az izzadás. Ahogy a bőrről elpárolog a verejték, az eltávolítja a testből a hőenergia egy részét, és ezzel hűti azt. A verejtéktermeléshez megfelelő mennyiségű vízre van szükség (a test extracelluláris folyadékából), ezért a megfelelő folyadékbevitel elengedhetetlen az izzadási reakció során fellépő veszteség ellensúlyozásához. Nem meglepő módon az izzadási reakció sokkal kevésbé hatékony párás környezetben, mivel a levegő már eleve vízzel telített. Így a bőr felszínén lévő izzadság nem tud elpárologni, és a test belső hőmérséklete veszélyesen magasra emelkedhet.
A szervezet rövid távú hideghatásra is hatékonyan tud reagálni. A hidegre adott egyik válasz a reszketés, amely véletlenszerű izommozgás, amely hőt termel. Egy másik válasz a tárolt energia fokozott lebontása hőtermelés céljából. Amikor azonban ez az energiatartalék kimerül, és a maghőmérséklet jelentősen csökkenni kezd, a vörösvértestek elveszítik az oxigén leadásának képességét, így az agyat megfosztják az ATP-termelés e kritikus összetevőjétől. Ez az oxigénhiány zavartságot, letargiát, végül eszméletvesztést és halált okozhat. A szervezet a hidegre úgy reagál, hogy csökkenti a vérkeringést a végtagokban, a kezekben és a lábakban, hogy megakadályozza a vér ottani lehűlését, és hogy a test magja meleg maradhasson. Még ha a testmaghőmérséklet stabil is marad, a nagy hidegnek kitett szövetekben, különösen az ujjakban és a lábujjakban, fagyási sérülések alakulhatnak ki, ha a végtagok vérellátása jelentősen lecsökken. A szövetkárosodásnak ez a formája maradandó lehet, és üszkösödéshez vezethet, ami az érintett terület amputációját teszi szükségessé.
Hétköznapi kapcsolat: Ellenőrzött hipotermia
Amint azt már megtanulta, a szervezet folyamatosan összehangolt fiziológiai folyamatokat folytat a stabil hőmérséklet fenntartása érdekében. Bizonyos esetekben azonban ennek a rendszernek a felülírása hasznos, sőt életmentő lehet. A hipotermia a klinikai kifejezés a kórosan alacsony testhőmérsékletre (hypo- = “alatt” vagy “alatta”). A kontrollált hipotermia klinikailag előidézett hipotermia, amelyet egy szerv vagy a személy egész testének anyagcseréjének csökkentése érdekében végeznek.
A kontrollált hipotermiát gyakran alkalmazzák például nyitott szívműtétek során, mert csökkenti az agy, a szív és más szervek anyagcsereigényét, csökkentve ezzel a károsodásuk kockázatát. Amikor a kontrollált hipotermiát klinikailag alkalmazzák, a beteg gyógyszert kap a reszketés megelőzésére. Ezután a testet 25-32 °C-ra (79-89 °F) hűtik. A szívet leállítják, és egy külső szív- és tüdőszivattyú tartja fenn a beteg testének keringését. A szívet tovább hűtik, és a műtét időtartama alatt 15°C (60°F) alatti hőmérsékleten tartják. Ez a nagyon hideg hőmérséklet segít a szívizomnak elviselni a műtét alatti vérellátás hiányát.
A sürgősségi osztály egyes orvosai ellenőrzött hipotermiát alkalmaznak a szívkárosodás csökkentésére a szívmegálláson átesett betegeknél. A sürgősségi osztályon az orvos kómát idéz elő, és a beteg testhőmérsékletét körülbelül 91 fokra csökkenti. Ez az állapot, amelyet 24 órán keresztül fenntartanak, lelassítja a beteg anyagcseréjét. Mivel a beteg szervei kevesebb vért igényelnek a működéshez, a szív munkaterhelése csökken.
A légköri nyomás szűk tartománya
A nyomás egy anyag által kifejtett erő, amely egy másik anyaggal érintkezik. A légköri nyomás a Föld légkörében lévő gázok (elsősorban nitrogén és oxigén) keveréke által kifejtett nyomás. Bár Ön nem érzékeli, a légköri nyomás folyamatosan nyomást gyakorol a testére. Ez a nyomás a testében lévő gázokat, például a testnedvekben lévő gáznemű nitrogént, oldott állapotban tartja. Ha hirtelen kilöknének egy űrhajóból a Föld légköre fölött, akkor a normál nyomásból egy nagyon alacsony nyomású helyzetbe kerülnél. A vérében lévő nitrogéngáz nyomása sokkal nagyobb lenne, mint a testét körülvevő térben lévő nitrogén nyomása. Ennek eredményeként a vérében lévő nitrogéngáz kitágulna, buborékokat képezve, amelyek elzárhatják az ereket, és akár a sejtek szétesését is okozhatják.
A légköri nyomás nem csak a vérgázok oldott állapotban tartására szolgál. Az Ön légzési képessége – azaz, hogy oxigént vesz fel és szén-dioxidot bocsát ki – szintén a pontos légköri nyomástól függ. A magassági betegség részben azért alakul ki, mert a nagy magasságban a légkör kisebb nyomást gyakorol, ami csökkenti e gázok cseréjét, és légszomjat, zavartságot, fejfájást, letargiát és hányingert okoz. A hegymászók oxigént visznek magukkal, hogy csökkentsék mind az alacsony oxigénszint, mind az alacsony légnyomás hatását a nagyobb magasságokban (2. ábra).
2. ábra. Kemény körülmények. A Mount Everest hegymászóinak extrém hideggel, alacsony oxigénszinttel és alacsony légnyomással kell megküzdeniük egy olyan környezetben, amely ellenséges az emberi élet számára. (credit: Melanie Ko/flickr)
Homeosztatikus egyensúlyhiány: Dekompressziós betegség
A dekompressziós betegség (DCS) olyan állapot, amikor a testre ható nyomáscsökkenést követően a vérben vagy más testszövetekben oldott gázok már nem oldódnak fel. Ez az állapot azokat a víz alatti búvárokat érinti, akik túl gyorsan jönnek fel a felszínre a mély merülésből, és érintheti a nagy magasságban, nyomás nélküli kabinú repülőgépeken repülő pilótákat is. A búvárok gyakran nevezik ezt az állapotot “kanyarnak”, ami a DCS egyik tünetének számító ízületi fájdalomra utal.
A DCS-t minden esetben a barometrikus nyomás csökkenése idézi elő. Nagy magasságban a barometrikus nyomás sokkal kisebb, mint a földfelszínen, mert a nyomást a test fölött lévő légoszlop súlya hozza létre, amely a testre nyomja a testet. A mély vízben a búvárokra nehezedő nagyon nagy nyomás szintén a testre nyomott vízoszlop súlyából adódik. A búvárok esetében a DCS normál barometrikus nyomáson (a tengerszinten) jelentkezik, de azt a viszonylag gyors nyomáscsökkenés idézi elő, ahogy a búvárok a mélyvíz magas nyomásviszonyaiból a tengerszinten uralkodó, összehasonlításképpen alacsony nyomásra emelkednek. Nem meglepő módon a mély hegyi tavakban való búvárkodás, ahol a tó felszínén a barometrikus nyomás kisebb, mint a tengerszinten, nagyobb valószínűséggel okoz DCS-t, mint a tengerszinten lévő vízben való búvárkodás.
A DCS-ben a vérben oldott gázok (elsősorban nitrogén) gyorsan oldódnak ki, buborékokat képezve a vérben és más testszövetekben. Ez azért következik be, mert amikor egy gáz nyomása egy folyadék felett csökken, a folyadékban oldva maradni képes gáz mennyisége is csökken. A légnyomás az, ami a normál vérgázokat a vérben oldva tartja. Ha a nyomás csökken, kevesebb gáz marad oldva. Ezt már láthatta a gyakorlatban, amikor kinyitott egy szénsavas italt. Ha eltávolítjuk a palack pecsétjét, csökken a gáz nyomása a folyadék felett. Ez viszont buborékokat okoz, mivel az oldott gázok (ebben az esetben a szén-dioxid) kilépnek a folyadékban lévő oldatból.
A DCS leggyakoribb tünetei az ízületi fájdalom, az esetek 10-15 százalékában fejfájás és látászavarok fordulnak elő. Ha nem kezelik, a nagyon súlyos DCS halálhoz vezethet. Az azonnali kezelés tiszta oxigénnel történik. Az érintett személyt ezután hiperbárkamrába szállítják. A hiperbárkamra egy megerősített, zárt kamra, amely a légköri nyomásnál nagyobb nyomáson van. A DCS-t a test nyomáscsökkentésével kezelik, így a nyomás sokkal fokozatosabban csökkenthető. Mivel a hiperbárkamra nagy nyomáson oxigént juttat a szervezetbe, növeli az oxigén koncentrációját a vérben. Ez azzal a hatással jár, hogy a vérben lévő nitrogén egy részét oxigénnel helyettesíti, amely oldatból könnyebben elviselhető.
A testnedvek dinamikus nyomása szintén fontos az emberi túlélés szempontjából. Például a vérnyomásnak, vagyis annak a nyomásnak, amelyet a vér gyakorol, miközben az erekben áramlik, elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a vér minden testszövetbe eljusson, ugyanakkor elég alacsonynak ahhoz, hogy a kényes erek ellenálljanak a nyomás alatt lévő vér lüktető áramlásának súrlódásának és erejének.
A pozitív visszacsatolás egy másik példája a testet ért szélsőséges károsodások visszafordítására összpontosít. Egy áthatoló sebet követően a legközvetlenebb veszélyt a túlzott vérveszteség jelenti. A kevesebb keringő vér csökkent vérnyomást és csökkent perfúziót (a vér behatolását) jelent az agyba és más létfontosságú szervekbe. Ha a perfúzió súlyosan csökken, a létfontosságú szervek leállnak, és a személy meghal. A szervezet erre a lehetséges katasztrófára úgy reagál, hogy a sérült érfalban olyan anyagokat szabadít fel, amelyek elindítják a véralvadás folyamatát. Ahogy az alvadás minden egyes lépése megtörténik, az újabb alvadási anyagok felszabadulását serkenti. Ez felgyorsítja az alvadási folyamatokat és a sérült terület lezárását. A véralvadást egy helyi területre korlátozzák az alvadási fehérjék szigorúan ellenőrzött elérhetősége alapján. Ez az események adaptív, életmentő kaszkádja.