Learning Objectives
- 人間の生存維持における酸素と栄養の役割について説明できる
- なぜ極度の暑さが必要なのか説明できる
。 気体や液体の圧力が人間の生存にどのような影響を与えるかを説明できる。 各メカニズムの生理学的な例を一つ挙げる
人類は少なくとも過去20万年間、地球上の生活に適応してきた。 地球とその大気は、呼吸するための空気、飲むための水、食べるための食物を提供してきましたが、生存のための必要条件はそれだけではありません。 普段はあまり意識することはありませんが、私たちは地球と大気が提供する一定の温度と圧力の範囲外では生きていくことができないのです。
酸素
大気中の酸素は約20％しかありませんが、その酸素はATPを生成する反応など、体を生かすための化学反応の重要な構成要素となっています。 脳細胞は、ATPの大量かつ安定的な生産を必要とするため、酸素不足の影響を特に受けやすい。
栄養素
栄養素とは、食べ物や飲み物に含まれる物質で、人間の生存に不可欠なものです。 栄養素の基本的な分類は、水、エネルギーを生み出す栄養素と体を作る栄養素、微量栄養素（ビタミンとミネラル）の3つです。
最も重要な栄養素は、水です。 環境の温度や健康状態にもよるが、水がなければ数日しか生きられないこともある。 体の機能化学物質は水に溶けて運ばれ、生命の化学反応も水の中で行われる。 さらに、水は細胞、血液、細胞間の液体の最大の構成要素であり、成人の体格の約70パーセントを水が占めています。
エネルギーを生み出す栄養素は主に炭水化物と脂質で、タンパク質は主に体そのものの構成要素であるアミノ酸を供給しています。 植物や動物の食物や飲料に含まれるこれらを摂取し、消化器官で吸収できるほど小さな分子に分解されます。 炭水化物や脂質の分解物は、ATPに変換される代謝プロセスに利用されることができます。 一度の食事抜きで飢えたように感じるかもしれないが、少なくとも数週間はエネルギーを生み出す栄養素を摂取しなくても生きていける。
水とエネルギーを生み出す栄養素は、体が大量に必要とするので大栄養素とも呼ばれる。 これに対し、微量栄養素はビタミンやミネラルのことです。 これらの元素や化合物は、神経伝達など多くの必須化学反応やプロセスに関与し、カルシウムのように体の構造にも寄与しているものもあります。 微量栄養素の一部は体内に貯蔵され、数日または数週間、食事から摂取できなかった場合、その貯蔵物を利用することができます。
狭い温度範囲
熱中症で死亡したスポーツ選手や、寒さにさらされて死亡したハイカーについてのニュースを見たことがあるだろう。 このような死が起こるのは、体が依存する化学反応が、37℃以下から37℃以上という狭い体温の範囲内でしか起こらないからです。 体温が平熱よりかなり高くなったり低くなったりすると、化学反応を促進する特定のタンパク質（酵素）が正常な構造と機能を失い、代謝の化学反応が進まなくなるのです。
図1. 極端な暑さ 人間は高温に繰り返しさらされることで、ある程度は適応できる。 (credit: McKay Savage/flickr)
つまり、身体は熱（図1）または寒さに短期間さらされた場合に効果的に反応することができるのです。 暑さに対する身体の反応のひとつは、もちろん発汗である。 汗は皮膚から蒸発する際に、体から熱エネルギーを奪って冷却する。 汗をかくには十分な水分（体内の細胞外液）が必要なので、発汗反応の際に失われる水分とバランスをとるために、十分な水分摂取が必要です。 当然のことながら、湿度の高い環境では、空気中の水分がすでに飽和しているため、発汗反応はあまり効果的ではありません。 したがって、皮膚表面の汗は蒸発することができず、体内温度は危険なほど高くなる可能性があります。 寒さへの反応のひとつは震えであり、これは熱を発生させるランダムな筋肉の動きである。 もうひとつの反応は、熱を発生させるために蓄積されたエネルギーの分解を増加させることである。 しかし、このエネルギーが枯渇し、体温が著しく低下し始めると、赤血球は酸素を供給する能力を失い、ATP生成に重要な役割を果たす赤血球が脳に届かなくなる。 この酸素不足は、混乱や嗜眠を引き起こし、最終的には意識を失い、死に至ることもある。 身体は寒さに反応し、手足などの四肢の血液循環を悪くして、血液が冷えないようにし、身体の中心部を温かく保つようにします。 しかし、体温が安定していても、厳しい寒さにさらされた組織、特に手足の指は、血流が大幅に低下しているため、凍傷になることがあります。 このような組織の損傷は永久的なもので、壊疽を引き起こし、患部の切断が必要となります。
Everyday Connection: 制御された低体温
これまで学んできたように、身体は安定した体温を維持するために調整された生理学的プロセスに継続的に取り組んでいます。 しかし、場合によっては、このシステムを無効にすることが有効であったり、救命につながることもあります。 低体温は臨床用語で、体温が異常に低い状態を指します（hypo-＝”under “または “under”）。 制御低体温は、臓器または人の全身の代謝率を低下させるために行われる臨床的な低体温誘導です。
制御低体温は、脳、心臓、およびその他の臓器の代謝ニーズを低下させ、それらの損傷のリスクを低減するので、例えば開心術中にしばしば使用されます。 臨床的に制御低体温療法が行われる場合、患者さんには震えを防ぐための薬が投与されます。 その後、体を25～32℃に冷却する。 心臓は停止され、外部の心肺ポンプが患者の体への循環を維持する。 心臓はさらに冷却され、手術中は15℃以下の温度に保たれます。 この非常に低い温度は、心筋が手術中の血液供給不足に耐えるのに役立ちます。
救急部の医師の中には、心停止を起こした患者の心臓へのダメージを軽減するために制御低体温療法を行う者もいます。 救急部では、医師が昏睡状態を作り出し、患者の体温を約91度まで下げます。 この状態を24時間維持することで、患者の代謝速度が低下する。
Narrow Range of Atmospheric Pressure
Pressure とは、ある物質が他の物質と接触することによって発揮される力である。 大気圧は、地球の大気中にある混合気体（主に窒素と酸素）が及ぼす圧力です。 普段は意識していなくても、大気圧は常にあなたの身体を圧迫しています。 この圧力によって、体内の気体、たとえば体液中の気体窒素が溶けているのです。 もし、あなたが宇宙船から地球の上空に突然放り出されたら、通常の気圧の状態から非常に低い気圧の状態へと変化することになります。 血液中の窒素ガスの圧力は、体を取り囲む空間の窒素の圧力よりもはるかに高くなります。 その結果、血液中の窒素ガスが膨張して気泡ができ、血管を塞いだり、細胞をバラバラにしたりする可能性があります。 呼吸、つまり酸素を取り込み、二酸化炭素を放出する能力も、正確な気圧に依存しているのです。 高山病は、高度の高いところでは大気の圧力が低くなり、これらのガスの交換が減少して、息切れ、混乱、頭痛、だるさ、吐き気などを引き起こすことが一因となっている。 登山者は、高地での低酸素と低気圧の影響を軽減するために、酸素を携帯しています（図2）＜2542＞＜206＞＜533＞写真は、遠くから見たエベレスト。 ピラミッド型のごつごつした大きな山で、手前には雪に覆われた小さな山がたくさんあります。 エベレストの山頂は部分的に雲に覆われています。
図2. 過酷な条件 エベレストの登山者は、極寒、低酸素、低気圧など、人間の生命にとって過酷な環境に対応しなければならない。 (credit: Melanie Ko/flickr)
Homeostatic Imbalances（恒常性の不均衡）: 減圧症
減圧症（DCS）とは、体内の圧力が低下すると、血液やその他の体内組織に溶けていた気体が溶けなくなる症状です。 この症状は、深いダイビングから急激に浮上する水中ダイバーや、与圧されていない機内で高高度を飛行するパイロットに発生することがあります。 ダイバーはこの状態を「潜水病」と呼ぶことがありますが、これはDCSの症状である関節痛のことを指しています
すべての場合において、DCSは気圧の低下によって引き起こされます。 高所では、気圧は地表よりもはるかに低く、これは圧力が体の上の空気の柱の重さで体を押し下げることによって生じるからである。 深海でダイバーが受ける圧力が非常に大きいのも、同様に水柱の重さが体を圧迫しているためです。 ダイバーの場合、DCSは通常の気圧（海面気圧）で発生しますが、深海の高圧状態から海面の低圧状態になるにつれて、気圧が比較的急速に低下することによって発生します。 2542>
DCSでは、血液中に溶けている気体（主に窒素）が急速に溶け出し、血液中や体の組織で気泡を形成します。 これは、液体に対する気体の圧力が下がると、液体に溶けていられる気体の量も減るために起こります。 正常な血液ガスを血液中に溶かしておくのは空気圧です。 圧力が下がると、溶けていられる気体の量は少なくなります。 このことは、炭酸飲料を開けたときに実感したことがあると思います。 ボトルのシールを剥がすと、液体にかかる気体の圧力が下がります。 2542>
DCSの最も一般的な症状は関節の痛みで、頭痛と視力障害は10%から15%の症例で発生します。 治療せずに放置すると、非常に重度のDCSは死に至ることもある。 直ちに純酸素で治療する。 その後、高気圧チャンバーに移動します。 高気圧室とは、大気圧以上に加圧された強化された密閉室のことである。 高気圧室は、大気圧以上に加圧された強化密閉室であり、身体を再加圧し、圧力をより徐々に取り除くことでDCSを治療する。 高気圧室は高圧で酸素を体内に導入するため、血液中の酸素濃度が高くなる。 これは、血液中の窒素の一部を酸素に置き換える効果があり、溶液中では耐容しやすくなります。
体液の動圧も人間の生存に重要です。 例えば、血圧は、血液が血管内を流れるときにかかる圧力であるが、血液がすべての体組織に到達できるように十分大きくなければならないが、繊細な血管が加圧された血液の脈動流の摩擦と力に耐えられるように十分低くなければならない。 貫通した傷の後、最も直接的な脅威は過剰な出血である。 循環する血液が少ないということは、血圧が低下し、脳や他の重要な臓器への灌流(血液の浸透)が減少することを意味する。 灌流が著しく低下すると、重要な臓器が停止し、人は死に至ります。 身体はこの潜在的な大惨事に対応するため、傷ついた血管壁に物質を放出し、血液凝固のプロセスを開始する。 血液凝固の各段階が起こるにつれ、より多くの血液凝固物質が放出されるよう刺激する。 これにより、血液凝固と損傷部位の封鎖のプロセスが加速される。 血液凝固は、凝固タンパク質の利用可能性を厳密に制御することに基づいて、局所的な領域に封じ込められる。 これは、適応的で命を守るためのイベントのカスケードである
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