Cele nauczania
- Przedstaw rolę tlenu i składników odżywczych w utrzymaniu ludzkiego przetrwania
- Wyjaśnij, dlaczego ekstremalne ciepło i ekstremalne zimno zagrażają ludzkiemu przetrwaniu
- Wyjaśnij, jak ciśnienie wywierane przez gazy i płyny wpływa na ludzkie przetrwanie
- Przedstaw rolę homeostazy w zdrowym funkcjonowaniu
- Porównaj ujemne i dodatnie sprzężenie zwrotne, podając jeden fizjologiczny przykład każdego z mechanizmów
Ludzie przystosowywali się do życia na Ziemi przez co najmniej ostatnie 200 000 lat. Ziemia i jej atmosfera zapewniły nam powietrze do oddychania, wodę do picia i żywność do jedzenia, ale to nie są jedyne wymagania niezbędne do przetrwania. Chociaż rzadko o tym myślisz, nie możesz żyć poza pewnym zakresem temperatury i ciśnienia, które zapewnia powierzchnia naszej planety i jej atmosfera. Następne sekcje badają te cztery wymagania życia.
Tlen
Powietrze atmosferyczne to tylko około 20 procent tlenu, ale ten tlen jest kluczowym składnikiem reakcji chemicznych, które utrzymują ciało przy życiu, w tym reakcji, które produkują ATP. Komórki mózgowe są szczególnie wrażliwe na brak tlenu ze względu na ich wymóg wysokiej i stałej produkcji ATP. Uszkodzenie mózgu jest prawdopodobne w ciągu pięciu minut bez tlenu, a śmierć jest prawdopodobna w ciągu dziesięciu minut.
Składniki odżywcze
Składnik odżywczy jest substancją w żywności i napojach, która jest niezbędna do przetrwania człowieka. Trzy podstawowe klasy składników odżywczych to woda, składniki odżywcze dostarczające energii i budujące organizm oraz mikroskładniki odżywcze (witaminy i minerały).
Najbardziej krytycznym składnikiem odżywczym jest woda. W zależności od temperatury środowiska i naszego stanu zdrowia, możemy być w stanie przetrwać tylko przez kilka dni bez wody. Funkcjonalne substancje chemiczne organizmu są rozpuszczane i transportowane w wodzie, a reakcje chemiczne życia zachodzą w wodzie. Ponadto, woda jest największym składnikiem komórek, krwi i płynu pomiędzy komórkami, a woda stanowi około 70 procent masy ciała dorosłego człowieka. Woda pomaga również regulować naszą temperaturę wewnętrzną i amortyzuje, chroni i smaruje stawy i wiele innych struktur ciała.
Energetyczne składniki odżywcze to przede wszystkim węglowodany i lipidy, podczas gdy białka głównie dostarczają aminokwasów, które są budulcem samego ciała. Są one spożywane w pokarmach roślinnych i zwierzęcych oraz napojach, a układ pokarmowy rozkłada je na cząsteczki wystarczająco małe, aby mogły zostać wchłonięte. Produkty rozpadu węglowodanów i lipidów mogą być następnie wykorzystane w procesach metabolicznych, które przekształcają je w ATP. Chociaż możesz czuć się tak, jakbyś głodował po braku jednego posiłku, możesz przetrwać bez spożywania składników odżywczych dających energię przez co najmniej kilka tygodni.
Woda i składniki odżywcze dające energię są również określane jako makroskładniki, ponieważ organizm potrzebuje ich w dużych ilościach. Z kolei mikroelementy to witaminy i składniki mineralne. Te pierwiastki i związki uczestniczą w wielu istotnych reakcjach chemicznych i procesach, takich jak impulsy nerwowe, a niektóre, takie jak wapń, przyczyniają się również do budowy ciała. Organizm może przechowywać niektóre z mikroelementów w swoich tkankach i czerpać z tych rezerw, jeśli nie spożywa się ich w diecie przez kilka dni lub tygodni. Niektóre inne mikroelementy, takie jak witamina C i większość witamin z grupy B, są rozpuszczalne w wodzie i nie mogą być przechowywane, więc musisz je spożywać codziennie lub dwa razy.
Wąski zakres temperatur
Prawdopodobnie widziałeś wiadomości o sportowcach, którzy zmarli z powodu udaru cieplnego lub wędrowcach, którzy zmarli z powodu ekspozycji na zimno. Takie zgony mają miejsce, ponieważ reakcje chemiczne, od których zależy funkcjonowanie organizmu, mogą zachodzić tylko w wąskim zakresie temperatury ciała, od nieco poniżej do nieco powyżej 37°C (98,6°F). Kiedy temperatura ciała wzrasta znacznie powyżej lub spada znacznie poniżej normy, niektóre białka (enzymy), które ułatwiają reakcje chemiczne tracą swoją normalną strukturę i zdolność do działania, a reakcje chemiczne metabolizmu nie mogą postępować.
Figure 1. Ekstremalne upały. Ludzie w pewnym stopniu przystosowują się do wielokrotnego wystawiania się na działanie wysokich temperatur. (credit: McKay Savage/flickr)
To powiedziawszy, ciało może skutecznie reagować na krótkotrwałe narażenie na ciepło (Rysunek 1) lub zimno. Jedną z reakcji organizmu na ciepło jest oczywiście pocenie się. Gdy pot wyparowuje ze skóry, usuwa część energii cieplnej z ciała, chłodząc je. Do produkcji potu niezbędna jest odpowiednia ilość wody (z płynu pozakomórkowego w organizmie), więc odpowiednie przyjmowanie płynów jest niezbędne do zrównoważenia utraty wody podczas reakcji potowej. Nic dziwnego, że reakcja potowa jest znacznie mniej skuteczna w wilgotnym środowisku, ponieważ powietrze jest już nasycone wodą. Tak więc, pot na powierzchni skóry nie jest w stanie odparować, a wewnętrzna temperatura ciała może stać się niebezpiecznie wysoka.
Ciało może również skutecznie reagować na krótkotrwałe narażenie na zimno. Jedną z odpowiedzi na zimno jest drżenie, które jest przypadkowy ruch mięśni, który generuje ciepło. Inną reakcją jest zwiększony rozkład zmagazynowanej energii w celu wytworzenia ciepła. Kiedy jednak ta rezerwa energii jest wyczerpana, a temperatura rdzenia zaczyna znacząco spadać, czerwone krwinki tracą zdolność oddawania tlenu, odmawiając mózgowi tego krytycznego składnika produkcji ATP. Ten brak tlenu może powodować dezorientację, senność, a w końcu utratę przytomności i śmierć. Organizm reaguje na zimno poprzez zmniejszenie krążenia krwi do kończyn, dłoni i stóp, aby zapobiec ochłodzeniu krwi w tych miejscach i aby rdzeń ciała mógł pozostać ciepły. Jednak nawet gdy temperatura rdzenia ciała pozostaje stabilna, tkanki narażone na działanie silnego zimna, zwłaszcza palce rąk i nóg, mogą ulec odmrożeniu, gdy przepływ krwi do kończyn został znacznie zmniejszony. Ta forma uszkodzenia tkanki może być trwała i prowadzić do gangreny, wymagającej amputacji dotkniętego regionu.
Everyday Connection: Controlled Hypothermia
Jak się nauczyłeś, ciało stale angażuje się w skoordynowane procesy fizjologiczne, aby utrzymać stabilną temperaturę. W niektórych przypadkach, jednak, nadrzędność tego systemu może być użyteczna, a nawet ratująca życie. Hipotermia jest terminem klinicznym oznaczającym nienormalnie niską temperaturę ciała (hypo- = “poniżej” lub “pod”). Kontrolowana hipotermia to klinicznie wywołana hipotermia wykonywana w celu zmniejszenia tempa metabolizmu narządu lub całego ciała danej osoby.
Kontrolowana hipotermia jest często stosowana, na przykład, podczas operacji na otwartym sercu, ponieważ zmniejsza potrzeby metaboliczne mózgu, serca i innych narządów, zmniejszając ryzyko ich uszkodzenia. Kiedy hipotermia kontrolowana jest stosowana klinicznie, pacjentowi podaje się leki zapobiegające dreszczom. Następnie ciało jest schładzane do temperatury 25-32°C (79-89°F). Serce zostaje zatrzymane, a krążenie w organizmie pacjenta jest podtrzymywane przez zewnętrzną pompę sercowo-płucną. Serce jest dalej schładzane i utrzymywane w temperaturze poniżej 15°C (60°F) przez cały czas trwania operacji. Ta bardzo niska temperatura pomaga mięśniowi sercowemu tolerować brak dopływu krwi podczas zabiegu.
Niektórzy lekarze z oddziału ratunkowego stosują kontrolowaną hipotermię w celu zmniejszenia uszkodzenia serca u pacjentów, u których doszło do zatrzymania akcji serca. Na oddziale ratunkowym lekarz wywołuje śpiączkę i obniża temperaturę ciała pacjenta do około 91 stopni. Ten stan, który utrzymuje się przez 24 godziny, spowalnia tempo metabolizmu pacjenta. Ponieważ narządy pacjenta wymagają mniej krwi do funkcjonowania, zmniejsza się obciążenie serca.
Wąski zakres ciśnienia atmosferycznego
Ciśnienie to siła wywierana przez substancję, która jest w kontakcie z inną substancją. Ciśnienie atmosferyczne jest ciśnieniem wywieranym przez mieszaninę gazów (głównie azotu i tlenu) w atmosferze ziemskiej. Choć możesz tego nie odczuwać, ciśnienie atmosferyczne stale wywiera nacisk na twoje ciało. Ciśnienie to utrzymuje gazy w twoim ciele, takie jak gazowy azot w płynach ustrojowych, w stanie rozpuszczonym. Gdybyś nagle został wyrzucony ze statku kosmicznego ponad ziemską atmosferę, przeszedłbyś z sytuacji normalnego ciśnienia do sytuacji bardzo niskiego ciśnienia. Ciśnienie azotu w twojej krwi byłoby znacznie wyższe niż ciśnienie azotu w przestrzeni otaczającej twoje ciało. W rezultacie, gaz azotowy w twojej krwi rozszerzyłby się, tworząc pęcherzyki, które mogłyby zablokować naczynia krwionośne, a nawet spowodować rozpad komórek.
Ciśnienie atmosferyczne robi więcej niż tylko utrzymanie gazów we krwi rozpuszczonych. Twoja zdolność do oddychania – to znaczy, do przyjmowania tlenu i uwalniania dwutlenku węgla – zależy również od dokładnego ciśnienia atmosferycznego. Choroba wysokościowa występuje częściowo dlatego, że atmosfera na dużych wysokościach wywiera mniejsze ciśnienie, zmniejszając wymianę tych gazów i powodując duszności, dezorientację, ból głowy, senność i mdłości. Alpiniści noszą ze sobą tlen, aby zmniejszyć skutki zarówno niskiego poziomu tlenu, jak i niskiego ciśnienia barometrycznego na większych wysokościach (rys. 2).
Figura 2. Ciężkie warunki. Wspinacze na Mount Everest muszą radzić sobie z ekstremalnym zimnem, niskim poziomem tlenu i niskim ciśnieniem barometrycznym w środowisku nieprzyjaznym dla ludzkiego życia. (credit: Melanie Ko/flickr)
Homeostatic Imbalances: Choroba dekompresyjna
Choroba dekompresyjna (DCS) to stan, w którym gazy rozpuszczone we krwi lub w innych tkankach ciała nie są już rozpuszczane po zmniejszeniu ciśnienia na ciało. Choroba ta dotyka nurków, którzy zbyt szybko wychodzą na powierzchnię po głębokim nurkowaniu, a także pilotów latających na dużych wysokościach w samolotach z kabinami bezciśnieniowymi. Nurkowie często nazywają ten stan “zakrętami”, co jest odniesieniem do bólu stawów, który jest objawem DCS.
We wszystkich przypadkach, DCS jest wywołany przez obniżenie ciśnienia barometrycznego. Na dużych wysokościach ciśnienie barometryczne jest znacznie mniejsze niż na powierzchni Ziemi, ponieważ ciśnienie jest wytwarzane przez ciężar słupa powietrza nad ciałem naciskając w dół na ciało. Bardzo duże ciśnienie na nurków w głębokiej wodzie jest również spowodowane ciężarem słupa wody naciskającego na ciało. Dla nurków DCS występuje przy normalnym ciśnieniu barometrycznym (na poziomie morza), ale jest wywołany przez stosunkowo szybki spadek ciśnienia, gdy nurkowie podnoszą się z warunków wysokiego ciśnienia w głębokiej wodzie do niskiego, w porównaniu z nim, ciśnienia na poziomie morza. Nic dziwnego, że nurkowanie w głębokich jeziorach górskich, gdzie ciśnienie barometryczne na powierzchni jeziora jest niższe niż na poziomie morza jest bardziej prawdopodobne, aby spowodować DCS niż nurkowanie w wodzie na poziomie morza.
W DCS, gazy rozpuszczone we krwi (głównie azot) wychodzą szybko z roztworu, tworząc pęcherzyki we krwi i w innych tkankach ciała. Dzieje się tak, ponieważ gdy ciśnienie gazu nad cieczą jest zmniejszona, ilość gazu, który może pozostać rozpuszczony w cieczy również jest zmniejszona. To właśnie ciśnienie powietrza sprawia, że normalne gazy we krwi pozostają rozpuszczone we krwi. Kiedy ciśnienie jest zmniejszone, mniej gazu pozostaje rozpuszczonego. Widziałeś to w praktyce, kiedy otwierasz napój gazowany. Usunięcie uszczelki butelki zmniejsza ciśnienie gazu nad cieczą. To z kolei powoduje pęcherzyki jako rozpuszczonych gazów (w tym przypadku, dwutlenek węgla) wychodzą z rozwiązania w cieczy.
Najczęstsze objawy DCS są bóle stawów, z bólem głowy i zaburzenia widzenia występujących w 10 procent do 15 procent przypadków. Nieleczona, bardzo ciężka postać DCS może prowadzić do śmierci. Natychmiastowe leczenie polega na podaniu czystego tlenu. Osoba dotknięta chorobą jest następnie przenoszona do komory hiperbarycznej. Komora hiperbaryczna jest wzmocnioną, zamkniętą komorą, w której panuje ciśnienie wyższe niż atmosferyczne. Leczenie DCS odbywa się poprzez obniżenie ciśnienia w organizmie, dzięki czemu ciśnienie może być usuwane znacznie bardziej stopniowo. Ponieważ komora hiperbaryczna wprowadza tlen do organizmu pod wysokim ciśnieniem, zwiększa stężenie tlenu we krwi. Ma to wpływ na zastąpienie części azotu we krwi tlenem, który jest łatwiejszy do tolerowania z roztworu.
Dynamiczne ciśnienie płynów ustrojowych jest również ważne dla przetrwania człowieka. Na przykład, ciśnienie krwi, który jest ciśnienie wywierane przez krew, jak płynie w naczyniach krwionośnych, musi być wystarczająco duże, aby umożliwić krwi, aby dotrzeć do wszystkich tkanek ciała, a jednocześnie wystarczająco niskie, aby zapewnić, że delikatne naczynia krwionośne mogą wytrzymać tarcie i siłę pulsującego przepływu krwi pressurized.
Drugi przykład dodatniego sprzężenia zwrotnego centra na odwrócenie ekstremalnych uszkodzeń ciała. Po ranie penetrującej, najbardziej bezpośrednim zagrożeniem jest nadmierna utrata krwi. Mniej krwi krążącej oznacza zmniejszone ciśnienie krwi i zmniejszoną perfuzję (przenikanie krwi) do mózgu i innych ważnych narządów. Jeśli perfuzja jest poważnie ograniczona, ważne organy przestaną funkcjonować, a osoba umrze. Organizm reaguje na tę potencjalną katastrofę, uwalniając w uszkodzonej ścianie naczynia krwionośnego substancje, które rozpoczynają proces krzepnięcia krwi. Każdy kolejny etap krzepnięcia stymuluje uwalnianie kolejnych substancji krzepnięcia. Przyspiesza to proces krzepnięcia i zamykania uszkodzonego obszaru. Krzepnięcie jest ograniczone do lokalnego obszaru w oparciu o ściśle kontrolowaną dostępność białek krzepnięcia. Jest to adaptacyjna, ratująca życie kaskada zdarzeń.
.