Obiettivi di apprendimento
- Discutere il ruolo dell’ossigeno e delle sostanze nutritive nel mantenimento della sopravvivenza umana
- Spiegare perché il calore estremo e il freddo estremo minacciano la sopravvivenza umana
- Spiega come la pressione esercitata da gas e fluidi influenza la sopravvivenza umana
- Discuti il ruolo dell’omeostasi nel funzionamento sano
- Contrasta il feedback negativo e positivo, dando un esempio fisiologico di ciascun meccanismo
L’uomo si è adattato alla vita sulla Terra almeno negli ultimi 200.000 anni. La Terra e la sua atmosfera ci hanno fornito aria da respirare, acqua da bere e cibo da mangiare, ma questi non sono gli unici requisiti per la sopravvivenza. Anche se ci si pensa raramente, non si può vivere al di fuori di un certo intervallo di temperatura e pressione che la superficie del nostro pianeta e la sua atmosfera forniscono. Le prossime sezioni esplorano questi quattro requisiti della vita.
Ossigeno
L’aria atmosferica è solo circa il 20% di ossigeno, ma l’ossigeno è un componente chiave delle reazioni chimiche che tengono in vita il corpo, incluse le reazioni che producono ATP. Le cellule cerebrali sono particolarmente sensibili alla mancanza di ossigeno a causa della loro necessità di una produzione alta e costante di ATP. Il danno cerebrale è probabile entro cinque minuti senza ossigeno, e la morte è probabile entro dieci minuti.
Nutrienti
Un nutriente è una sostanza in alimenti e bevande che è essenziale per la sopravvivenza umana. Le tre classi fondamentali di nutrienti sono l’acqua, i nutrienti che producono energia e costruiscono il corpo e i micronutrienti (vitamine e minerali).
Il nutriente più critico è l’acqua. A seconda della temperatura ambientale e del nostro stato di salute, possiamo essere in grado di sopravvivere solo per pochi giorni senza acqua. Le sostanze chimiche funzionali del corpo sono dissolte e trasportate in acqua, e le reazioni chimiche della vita avvengono in acqua. Inoltre, l’acqua è il maggior componente delle cellule, del sangue e del fluido tra le cellule, e l’acqua costituisce circa il 70% della massa corporea di un adulto. L’acqua aiuta anche a regolare la nostra temperatura interna e ammortizza, protegge e lubrifica le articolazioni e molte altre strutture del corpo.
I nutrienti che producono energia sono principalmente carboidrati e lipidi, mentre le proteine forniscono principalmente gli aminoacidi che sono i mattoni del corpo stesso. Questi vengono ingeriti in alimenti e bevande vegetali e animali, e il sistema digestivo li scompone in molecole abbastanza piccole da essere assorbite. I prodotti di degradazione dei carboidrati e dei lipidi possono poi essere utilizzati nei processi metabolici che li convertono in ATP. Anche se ci si può sentire come se si stesse morendo di fame dopo aver saltato un solo pasto, si può sopravvivere senza consumare i nutrienti che producono energia per almeno diverse settimane.
L’acqua e i nutrienti che producono energia sono anche chiamati macronutrienti perché il corpo ne ha bisogno in grandi quantità. Al contrario, i micronutrienti sono vitamine e minerali. Questi elementi e composti partecipano a molte reazioni e processi chimici essenziali, come gli impulsi nervosi, e alcuni, come il calcio, contribuiscono anche alla struttura del corpo. Il tuo corpo può immagazzinare alcuni dei micronutrienti nei suoi tessuti e attingere a queste riserve se non li consumi nella tua dieta per alcuni giorni o settimane. Alcuni altri micronutrienti, come la vitamina C e la maggior parte delle vitamine del gruppo B, sono solubili in acqua e non possono essere immagazzinati, quindi è necessario consumarli ogni giorno o due.
Campo di temperatura ristretto
Hai probabilmente visto le notizie su atleti che sono morti per un colpo di calore, o escursionisti che sono morti per l’esposizione al freddo. Queste morti si verificano perché le reazioni chimiche da cui dipende il corpo possono avvenire solo all’interno di una gamma ristretta di temperatura corporea, da appena sotto a appena sopra i 37°C (98,6°F). Quando la temperatura corporea sale molto al di sopra o scende molto al di sotto del normale, alcune proteine (enzimi) che facilitano le reazioni chimiche perdono la loro struttura normale e la loro capacità di funzionare e le reazioni chimiche del metabolismo non possono procedere.
Figura 1. Calore estremo. Gli esseri umani si adattano in qualche misura all’esposizione ripetuta alle alte temperature. (credit: McKay Savage/flickr)
Detto questo, il corpo può rispondere efficacemente all’esposizione a breve termine al caldo (Figura 1) o al freddo. Una delle risposte del corpo al calore è, naturalmente, la sudorazione. Quando il sudore evapora dalla pelle, rimuove parte dell’energia termica dal corpo, raffreddandolo. Per produrre il sudore è necessaria un’adeguata quantità di acqua (dal fluido extracellulare del corpo), quindi un’adeguata assunzione di liquidi è essenziale per bilanciare la perdita durante la risposta al sudore. Non sorprende che la risposta al sudore sia molto meno efficace in un ambiente umido perché l’aria è già satura d’acqua. Così, il sudore sulla superficie della pelle non è in grado di evaporare, e la temperatura interna del corpo può diventare pericolosamente alta.
Il corpo può anche rispondere efficacemente all’esposizione al freddo a breve termine. Una risposta al freddo è il brivido, che è un movimento muscolare casuale che genera calore. Un’altra risposta è l’aumento della scomposizione dell’energia immagazzinata per generare calore. Quando questa riserva di energia è esaurita, però, e la temperatura interna comincia a scendere significativamente, i globuli rossi perdono la loro capacità di cedere ossigeno, negando al cervello questa componente critica della produzione di ATP. Questa mancanza di ossigeno può causare confusione, letargia e infine perdita di coscienza e morte. Il corpo risponde al freddo riducendo la circolazione del sangue alle estremità, le mani e i piedi, per evitare che il sangue si raffreddi e affinché il nucleo del corpo possa rimanere caldo. Anche quando la temperatura corporea centrale rimane stabile, tuttavia, i tessuti esposti al freddo intenso, specialmente le dita delle mani e dei piedi, possono sviluppare il congelamento quando il flusso di sangue alle estremità è stato molto ridotto. Questa forma di danno ai tessuti può essere permanente e portare alla cancrena, richiedendo l’amputazione della regione colpita.
Connessione quotidiana: Ipotermia controllata
Come avete imparato, il corpo si impegna continuamente in processi fisiologici coordinati per mantenere una temperatura stabile. In alcuni casi, tuttavia, scavalcare questo sistema può essere utile, o addirittura salvifico. Ipotermia è il termine clinico per una temperatura corporea anormalmente bassa (hypo- = “sotto” o “sotto”). L’ipotermia controllata è l’ipotermia clinicamente indotta eseguita per ridurre il tasso metabolico di un organo o dell’intero corpo di una persona.
L’ipotermia controllata è spesso usata, per esempio, durante un intervento a cuore aperto perché diminuisce le esigenze metaboliche del cervello, del cuore e di altri organi, riducendo il rischio di danni a loro. Quando l’ipotermia controllata viene usata clinicamente, al paziente viene dato un farmaco per prevenire i brividi. Il corpo viene poi raffreddato a 25-32°C (79-89°F). Il cuore viene fermato e una pompa cuore-polmoni esterna mantiene la circolazione nel corpo del paziente. Il cuore viene raffreddato ulteriormente e viene mantenuto a una temperatura inferiore ai 15°C (60°F) per tutta la durata dell’intervento. Questa temperatura molto fredda aiuta il muscolo cardiaco a tollerare la mancanza di sangue durante l’intervento.
Alcuni medici del pronto soccorso usano l’ipotermia controllata per ridurre i danni al cuore nei pazienti che hanno subito un arresto cardiaco. Nel dipartimento di emergenza, il medico induce il coma e abbassa la temperatura corporea del paziente a circa 91 gradi. Questa condizione, che viene mantenuta per 24 ore, rallenta il tasso metabolico del paziente. Poiché gli organi del paziente richiedono meno sangue per funzionare, il carico di lavoro del cuore è ridotto.
Campo ristretto di pressione atmosferica
La pressione è una forza esercitata da una sostanza che è in contatto con un’altra sostanza. La pressione atmosferica è la pressione esercitata dalla miscela di gas (principalmente azoto e ossigeno) nell’atmosfera terrestre. Anche se non lo percepisci, la pressione atmosferica preme costantemente sul tuo corpo. Questa pressione mantiene i gas all’interno del tuo corpo, come l’azoto gassoso nei fluidi corporei, dissolti. Se tu fossi improvvisamente espulso da una nave spaziale sopra l’atmosfera terrestre, passeresti da una situazione di pressione normale a una di pressione molto bassa. La pressione del gas azoto nel tuo sangue sarebbe molto più alta della pressione dell’azoto nello spazio che circonda il tuo corpo. Di conseguenza, l’azoto gassoso nel sangue si espanderebbe, formando bolle che potrebbero bloccare i vasi sanguigni e persino causare la rottura delle cellule.
La pressione atmosferica fa molto più che mantenere i gas del sangue disciolti. La tua capacità di respirare, cioè di assumere ossigeno e rilasciare anidride carbonica, dipende anche da una precisa pressione atmosferica. Il mal d’altitudine si verifica in parte perché l’atmosfera ad alta quota esercita meno pressione, riducendo lo scambio di questi gas, e causando mancanza di respiro, confusione, mal di testa, letargia e nausea. Gli alpinisti portano l’ossigeno per ridurre gli effetti dei bassi livelli di ossigeno e della bassa pressione barometrica alle alte quote (Figura 2).
Figura 2. Condizioni difficili. Gli scalatori del Monte Everest devono sopportare il freddo estremo, i bassi livelli di ossigeno e la bassa pressione barometrica in un ambiente ostile alla vita umana. (credit: Melanie Ko/flickr)
Squilibri omeostatici: Malattia da decompressione
La malattia da decompressione (DCS) è una condizione in cui i gas disciolti nel sangue o in altri tessuti del corpo non sono più disciolti in seguito a una riduzione della pressione sul corpo. Questa condizione colpisce i subacquei che emergono da un’immersione profonda troppo rapidamente, e può colpire i piloti che volano ad alta quota in aerei con cabine non pressurizzate. I subacquei spesso chiamano questa condizione “the bends”, un riferimento al dolore articolare che è un sintomo di DCS.
In tutti i casi, DCS è portato da una riduzione della pressione barometrica. Ad alta quota, la pressione barometrica è molto minore che sulla superficie terrestre, perché la pressione è prodotta dal peso della colonna d’aria sopra il corpo che preme sul corpo. Le fortissime pressioni sui subacquei in acque profonde sono anch’esse prodotte dal peso di una colonna d’acqua che preme sul corpo. Per i subacquei, il DCS si verifica alla normale pressione barometrica (a livello del mare), ma è provocato dalla diminuzione relativamente rapida della pressione quando i subacquei salgono dalle condizioni di alta pressione delle acque profonde alla ormai bassa, in confronto, pressione a livello del mare. Non sorprende che le immersioni in profondi laghi di montagna, dove la pressione barometrica alla superficie del lago è inferiore a quella a livello del mare, abbiano maggiori probabilità di provocare DCS rispetto alle immersioni in acqua a livello del mare.
Nel DCS, i gas disciolti nel sangue (principalmente azoto) escono rapidamente dalla soluzione, formando bolle nel sangue e in altri tessuti del corpo. Questo accade perché quando la pressione di un gas su un liquido diminuisce, diminuisce anche la quantità di gas che può rimanere disciolta nel liquido. È la pressione dell’aria che mantiene i normali gas sanguigni disciolti nel sangue. Quando la pressione è ridotta, meno gas rimane disciolto. Avete visto questo effetto quando aprite una bevanda gassata. Rimuovendo il sigillo della bottiglia si riduce la pressione del gas sul liquido. Questo a sua volta causa delle bolle quando i gas disciolti (in questo caso, l’anidride carbonica) escono dalla soluzione nel liquido.
I sintomi più comuni della DCS sono il dolore alle articolazioni, con mal di testa e disturbi della vista che si verificano nel 10-15% dei casi. Se non trattata, la DCS molto grave può portare alla morte. Il trattamento immediato è con ossigeno puro. La persona colpita viene poi trasferita in una camera iperbarica. Una camera iperbarica è una camera rinforzata e chiusa che è pressurizzata a una pressione superiore a quella atmosferica. Tratta la DCS ripressurizzando il corpo in modo che la pressione possa essere rimossa molto più gradualmente. Poiché la camera iperbarica introduce ossigeno nel corpo ad alta pressione, aumenta la concentrazione di ossigeno nel sangue. Questo ha l’effetto di sostituire parte dell’azoto nel sangue con l’ossigeno, che è più facile da tollerare fuori dalla soluzione.
La pressione dinamica dei fluidi del corpo è anche importante per la sopravvivenza umana. Per esempio, la pressione sanguigna, che è la pressione esercitata dal sangue mentre scorre all’interno dei vasi sanguigni, deve essere abbastanza grande da permettere al sangue di raggiungere tutti i tessuti del corpo, e tuttavia abbastanza bassa da garantire che i delicati vasi sanguigni possano sopportare l’attrito e la forza del flusso pulsante del sangue pressurizzato.
Un secondo esempio di feedback positivo riguarda l’inversione dei danni estremi al corpo. A seguito di una ferita penetrante, la minaccia più immediata è l’eccessiva perdita di sangue. Meno sangue in circolazione significa pressione sanguigna ridotta e ridotta perfusione (penetrazione del sangue) al cervello e ad altri organi vitali. Se la perfusione è gravemente ridotta, gli organi vitali si spegneranno e la persona morirà. Il corpo risponde a questa potenziale catastrofe rilasciando sostanze nella parete del vaso sanguigno ferito che iniziano il processo di coagulazione del sangue. Ogni fase della coagulazione stimola il rilascio di altre sostanze coagulanti. Questo accelera i processi di coagulazione e di sigillatura dell’area danneggiata. La coagulazione è contenuta in un’area locale basata sulla disponibilità strettamente controllata di proteine coagulanti. Si tratta di una cascata di eventi adattivi e salvavita.