Leerdoelen
- Discussieer de rol van zuurstof en voedingsstoffen bij het overleven van de mens
- Uitleggen waarom extreme hitte en extreme koude het overleven van de mens bedreigen
- Leg uit hoe de druk van gassen en vloeistoffen het overleven van de mens beïnvloedt
- Discussieer de rol van homeostase bij gezond functioneren
- Stel negatieve en positieve terugkoppeling tegenover elkaar, met één fysiologisch voorbeeld van elk mechanisme
Mensen hebben zich ten minste de afgelopen 200.000 jaar aangepast aan het leven op Aarde. De aarde en haar atmosfeer hebben ons voorzien van lucht om in te ademen, water om te drinken en voedsel om te eten, maar dit zijn niet de enige vereisten om te overleven. Hoewel je er misschien zelden bij stilstaat, kun je ook niet leven buiten een bepaald bereik van temperatuur en druk dat het oppervlak van onze planeet en zijn atmosfeer bieden. In de volgende paragrafen worden deze vier levensbehoeften behandeld.
Zuurstof
De lucht in de atmosfeer bevat slechts ongeveer 20 procent zuurstof, maar die zuurstof is een belangrijk bestanddeel van de chemische reacties die het lichaam in leven houden, waaronder de reacties die ATP produceren. Hersencellen zijn bijzonder gevoelig voor zuurstoftekort, omdat ze een hoge en constante productie van ATP nodig hebben. Hersenbeschadiging is waarschijnlijk binnen vijf minuten zonder zuurstof, en de dood is waarschijnlijk binnen tien minuten.
Nutriënten
Een nutriënt is een stof in voedsel en dranken die essentieel is voor het overleven van de mens. De drie basisklassen van voedingsstoffen zijn water, de energieopwekkende en lichaamsopbouwende voedingsstoffen, en de micronutriënten (vitaminen en mineralen).
De meest kritische voedingsstof is water. Afhankelijk van de omgevingstemperatuur en onze gezondheidstoestand, kunnen we slechts enkele dagen zonder water overleven. De functionele chemicaliën van het lichaam worden in water opgelost en vervoerd, en de chemische reacties van het leven vinden in water plaats. Bovendien is water het grootste bestanddeel van cellen, bloed en de vloeistof tussen cellen, en maakt water ongeveer 70 procent uit van de lichaamsmassa van een volwassene. Water helpt ook bij het regelen van onze inwendige temperatuur en dempt, beschermt en smeert gewrichten en vele andere lichaamsstructuren.
De energieleverende voedingsstoffen zijn voornamelijk koolhydraten en vetten, terwijl eiwitten voornamelijk de aminozuren leveren die de bouwstenen van het lichaam zelf zijn. Deze krijg je binnen in plantaardige en dierlijke voedingsmiddelen en dranken, en het spijsverteringsstelsel breekt ze af tot moleculen die klein genoeg zijn om te worden opgenomen. De afbraakproducten van koolhydraten en vetten kunnen dan worden gebruikt in de stofwisselingsprocessen die ze omzetten in ATP. Hoewel u na het missen van een enkele maaltijd het gevoel kunt hebben dat u verhongert, kunt u minstens enkele weken overleven zonder de energieleverende voedingsstoffen te consumeren.
Water en de energieleverende voedingsstoffen worden ook wel macronutriënten genoemd, omdat het lichaam ze in grote hoeveelheden nodig heeft. Microvoedingsstoffen daarentegen zijn vitaminen en mineralen. Deze elementen en verbindingen nemen deel aan veel essentiële chemische reacties en processen, zoals zenuwimpulsen, en sommige, zoals calcium, dragen ook bij aan de structuur van het lichaam. Uw lichaam kan sommige microvoedingsstoffen in zijn weefsels opslaan en uit die reserves putten als u ze een paar dagen of weken niet via uw voeding binnenkrijgt. Sommige andere microvoedingsstoffen, zoals vitamine C en de meeste B-vitaminen, zijn in water oplosbaar en kunnen niet worden opgeslagen, zodat u ze elke dag of elke twee dagen moet innemen.
Nauw bereik van temperatuur
U hebt waarschijnlijk nieuwsberichten gezien over atleten die stierven aan een hitteberoerte, of wandelaars die stierven door blootstelling aan koude. Dergelijke sterfgevallen komen voor omdat de chemische reacties waarvan het lichaam afhankelijk is, alleen kunnen plaatsvinden binnen een smal bereik van lichaamstemperatuur, van net onder tot net boven 37°C (98,6°F). Wanneer de lichaamstemperatuur ver boven of ver onder de normale temperatuur komt, verliezen bepaalde eiwitten (enzymen) die chemische reacties mogelijk maken, hun normale structuur en hun vermogen om te functioneren en kunnen de chemische reacties van de stofwisseling niet doorgaan.
Figuur 1. Extreme hitte. Mensen passen zich tot op zekere hoogte aan aan herhaalde blootstelling aan hoge temperaturen. (credit: McKay Savage/flickr)
Dat gezegd hebbende, kan het lichaam effectief reageren op kortdurende blootstelling aan hitte (figuur 1) of kou. Een van de reacties van het lichaam op hitte is natuurlijk zweten. Wanneer zweet van de huid verdampt, onttrekt het wat thermische energie aan het lichaam, waardoor het afkoelt. Er is voldoende water (uit de extracellulaire vloeistof in het lichaam) nodig om zweet te produceren, dus voldoende vochtinname is essentieel om het verlies tijdens de zweetreactie te compenseren. Het is niet verrassend dat de zweetreactie veel minder effectief is in een vochtige omgeving, omdat de lucht daar al verzadigd is met water. Het zweet op het huidoppervlak kan dus niet verdampen, waardoor de interne lichaamstemperatuur gevaarlijk hoog kan oplopen.
Het lichaam kan ook effectief reageren op kortstondige blootstelling aan koude. Eén reactie op kou is rillen, dat is willekeurige spierbeweging die warmte genereert. Een andere reactie is een verhoogde afbraak van opgeslagen energie om warmte op te wekken. Wanneer die energiereserve echter uitgeput is en de kerntemperatuur aanzienlijk begint te dalen, verliezen de rode bloedcellen hun vermogen om zuurstof af te geven, waardoor de hersenen dit kritieke onderdeel van de ATP-productie wordt ontnomen. Dit gebrek aan zuurstof kan verwarring, lethargie en uiteindelijk bewustzijnsverlies en de dood veroorzaken. Het lichaam reageert op kou door de bloedcirculatie naar de extremiteiten, de handen en de voeten, te verminderen om te voorkomen dat het bloed daar afkoelt en zodat de kern van het lichaam warm kan blijven. Zelfs wanneer de kerntemperatuur stabiel blijft, kunnen weefsels die aan strenge kou worden blootgesteld, met name de vingers en tenen, echter bevriezen wanneer de bloedtoevoer naar de extremiteiten sterk is verminderd. Deze vorm van weefselschade kan blijvend zijn en leiden tot gangreen, waardoor amputatie van het getroffen gebied nodig is.
Everyday Connection: Controlled Hypothermia
Zoals u hebt geleerd, is het lichaam voortdurend bezig met gecoördineerde fysiologische processen om een stabiele temperatuur te handhaven. In sommige gevallen kan het echter nuttig of zelfs levensreddend zijn om dit systeem te omzeilen. Hypothermie is de klinische term voor een abnormaal lage lichaamstemperatuur (hypo- = “onder” of “onder”). Gecontroleerde hypothermie is een klinisch geïnduceerde onderkoeling die wordt uitgevoerd om de stofwisseling van een orgaan of van het gehele lichaam te verlagen.
Gecontroleerde hypothermie wordt vaak gebruikt, bijvoorbeeld tijdens een openhartoperatie, omdat daardoor de stofwisselingsbehoefte van de hersenen, het hart en andere organen wordt verlaagd, waardoor het risico van schade aan deze organen wordt verminderd. Wanneer gecontroleerde hypothermie klinisch wordt toegepast, krijgt de patiënt medicijnen om rillen te voorkomen. Het lichaam wordt dan afgekoeld tot 25-32°C. Het hart wordt gestopt en een externe hart-longpomp zorgt voor de circulatie in het lichaam van de patiënt. Het hart wordt verder gekoeld en gedurende de operatie op een temperatuur van minder dan 15°C (60°F) gehouden. Deze zeer koude temperatuur helpt de hartspier om het gebrek aan bloedtoevoer tijdens de operatie te verdragen.
Sommige SEH-artsen gebruiken gecontroleerde hypothermie om de schade aan het hart te beperken bij patiënten die een hartstilstand hebben gehad. Op de spoedeisende hulp brengt de arts de patiënt in coma en verlaagt hij zijn lichaamstemperatuur tot ongeveer 91 graden. Deze toestand, die gedurende 24 uur wordt gehandhaafd, vertraagt de stofwisseling van de patiënt. Omdat de organen van de patiënt minder bloed nodig hebben om te functioneren, wordt de belasting van het hart verminderd.
Nauw bereik van atmosferische druk
Druk is een kracht die wordt uitgeoefend door een stof die in contact staat met een andere stof. Atmosferische druk is de druk die wordt uitgeoefend door het mengsel van gassen (voornamelijk stikstof en zuurstof) in de atmosfeer van de aarde. Hoewel je het misschien niet waarneemt, drukt de atmosferische druk voortdurend op je lichaam. Deze druk houdt de gassen in uw lichaam, zoals de gasvormige stikstof in de lichaamsvloeistoffen, opgelost. Als u plotseling uit een ruimteschip boven de atmosfeer van de aarde zou worden geslingerd, zou u van een situatie van normale druk overgaan naar een situatie van zeer lage druk. De druk van het stikstofgas in uw bloed zou veel hoger zijn dan de druk van stikstof in de ruimte rond uw lichaam. Als gevolg daarvan zou het stikstofgas in uw bloed uitzetten en bellen vormen die de bloedvaten zouden kunnen blokkeren en zelfs cellen zouden kunnen doen uiteenvallen.
Luchtdruk doet meer dan alleen bloedgassen opgelost houden. Uw vermogen om te ademen, d.w.z. om zuurstof op te nemen en kooldioxide af te geven, hangt ook af van een nauwkeurige atmosferische druk. Hoogteziekte treedt gedeeltelijk op omdat de atmosfeer op grote hoogten minder druk uitoefent, waardoor de uitwisseling van deze gassen vermindert en kortademigheid, verwarring, hoofdpijn, lusteloosheid en misselijkheid ontstaan. Bergbeklimmers dragen zuurstof bij zich om de effecten van zowel het lage zuurstofgehalte als de lage barometerdruk op grotere hoogten te verminderen (figuur 2).
Figuur 2. Harde omstandigheden. Klimmers op de Mount Everest moeten het hoofd bieden aan extreme kou, een laag zuurstofgehalte en een lage barometerdruk in een omgeving die mensonvriendelijk is. (credit: Melanie Ko/flickr)
Homeostatische onevenwichtigheden: Decompression Sickness
Decompression sickness (DCS) is een aandoening waarbij gassen die in het bloed of in andere lichaamsweefsels zijn opgelost, niet meer worden opgelost na een drukverlaging op het lichaam. Deze aandoening treft onderwaterduikers die te snel uit een diepe duik naar boven komen, en kan piloten treffen die op grote hoogte vliegen in vliegtuigen met een cabine zonder drukcabine. Duikers noemen deze aandoening vaak “the bends”, een verwijzing naar gewrichtspijn die een symptoom is van DCS.
In alle gevallen wordt DCS teweeggebracht door een verlaging van de barometerdruk. Op grote hoogte is de barometerdruk veel minder dan op het aardoppervlak, omdat de druk wordt veroorzaakt door het gewicht van de luchtkolom boven het lichaam die op het lichaam drukt. De zeer grote druk op duikers in diep water is eveneens het gevolg van het gewicht van een kolom water die op het lichaam drukt. Voor duikers treedt DCS op bij normale barometerdruk (op zeeniveau), maar het wordt veroorzaakt door de relatief snelle daling van de druk wanneer duikers van de hoge druk in diep water opstijgen naar de nu lage, in vergelijking daarmee, druk op zeeniveau. Het is dan ook niet verwonderlijk dat duiken in diepe bergmeren, waar de barometerdruk aan het oppervlak van het meer lager is dan die op zeeniveau, meer kans op DCS geeft dan duiken in water op zeeniveau.
Bij DCS komen de in het bloed opgeloste gassen (voornamelijk stikstof) snel uit de oplossing, waardoor bellen in het bloed en in andere lichaamsweefsels worden gevormd. Dit gebeurt omdat wanneer de druk van een gas over een vloeistof wordt verlaagd, ook de hoeveelheid gas die in de vloeistof opgelost kan blijven, wordt verlaagd. Het is de luchtdruk die ervoor zorgt dat de normale bloedgassen in het bloed opgelost blijven. Wanneer de druk wordt verlaagd, blijft er minder gas opgelost. U hebt dit wel eens gezien bij het openen van een koolzuurhoudende drank. Door de verzegeling van de fles te verwijderen, vermindert de druk van het gas over de vloeistof. Dit veroorzaakt op zijn beurt belletjes omdat opgeloste gassen (in dit geval kooldioxide) in de vloeistof uit oplossing komen.
De meest voorkomende symptomen van DCS zijn pijn in de gewrichten, met hoofdpijn en gezichtsstoornissen die in 10 tot 15 procent van de gevallen voorkomen. Als het niet wordt behandeld, kan zeer ernstige DCS de dood tot gevolg hebben. Onmiddellijke behandeling is met zuivere zuurstof. De getroffen persoon wordt dan overgebracht naar een hyperbare kamer. Een hyperbare kamer is een versterkte, gesloten kamer die onder een grotere druk staat dan de atmosferische druk. Het behandelt DCS door de druk in het lichaam te verlagen, zodat de druk veel geleidelijker kan worden afgebouwd. Omdat de hyperbare kamer zuurstof onder hoge druk in het lichaam brengt, verhoogt het de zuurstofconcentratie in het bloed. Dit heeft tot gevolg dat een deel van de stikstof in het bloed wordt vervangen door zuurstof, die uit oplossing gemakkelijker te verdragen is.
De dynamische druk van de lichaamsvloeistoffen is ook belangrijk voor de overleving van de mens. Bijvoorbeeld, moet de bloeddruk, die de druk is die door bloed wordt uitgeoefend aangezien het binnen bloedvaten vloeit, groot genoeg zijn om bloed toe te laten om alle lichaamsweefsels te bereiken, en nog laag genoeg om ervoor te zorgen dat de gevoelige bloedvaten de wrijving en de kracht van de pulserende stroom van onder druk gezet bloed kunnen weerstaan.
Een tweede voorbeeld van positieve terugkoppeling concentreert zich op het omkeren van extreme schade aan het lichaam. Na een penetrerende wond, is de meest directe bedreiging overmatig bloedverlies. Minder circulerend bloed betekent een verlaagde bloeddruk en een verminderde perfusie (bloeddoorstroming) naar de hersenen en andere vitale organen. Als de perfusie ernstig verminderd is, zullen vitale organen ermee stoppen en zal de persoon sterven. Het lichaam reageert op deze potentiële catastrofe door stoffen in de beschadigde bloedvatwand vrij te laten die het proces van bloedstolling in gang zetten. Bij elke stap van het stollingsproces wordt het vrijkomen van meer stollingsstoffen gestimuleerd. Dit versnelt de processen van stolling en afsluiting van de beschadigde plek. De stolling wordt beperkt tot een lokaal gebied op basis van de strikt gecontroleerde beschikbaarheid van stollingseiwitten. Dit is een adaptieve, levensreddende cascade van gebeurtenissen.