Objectivos de Aprendizagem
- Discutam o papel do oxigénio e nutrientes na manutenção da sobrevivência humana
- Explicam porque calor extremo e frio extremo ameaçam a sobrevivência humana
- Explicar como a pressão exercida pelos gases e fluidos influencia a sobrevivência humana
- Discutir o papel da homeostase no funcionamento saudável
- Contraste feedback negativo e positivo, dando um exemplo fisiológico de cada mecanismo
Humans têm-se adaptado à vida na Terra durante pelo menos os últimos 200.000 anos. A Terra e a sua atmosfera forneceram-nos ar para respirar, água para beber e comida para comer, mas estes não são os únicos requisitos para a sobrevivência. Embora você raramente pense nisso, você também não pode viver fora de uma certa faixa de temperatura e pressão que a superfície do nosso planeta e sua atmosfera fornece. As próximas seções exploram esses quatro requisitos de vida.
Oxygen
Atmospheric air is only around 20 percent oxygen, but that oxygen is a key component of the chemical reactions that keep the body alive, including the reactions that produce ATP. As células cerebrais são especialmente sensíveis à falta de oxigénio devido à sua necessidade de uma produção elevada e estável de ATP. O dano cerebral é provável dentro de cinco minutos sem oxigênio, e a morte é provável dentro de dez minutos.
Nutrientes
Um nutriente é uma substância em alimentos e bebidas que é essencial para a sobrevivência humana. As três classes básicas de nutrientes são: a água, os nutrientes que produzem energia e que fortalecem o corpo, e os micronutrientes (vitaminas e minerais).
O nutriente mais crítico é a água. Dependendo da temperatura ambiente e do nosso estado de saúde, podemos ser capazes de sobreviver por apenas alguns dias sem água. Os químicos funcionais do organismo são dissolvidos e transportados na água, e as reacções químicas da vida ocorrem na água. Além disso, a água é o maior componente das células, o sangue e o fluido entre as células, e a água constitui cerca de 70 por cento da massa corporal de um adulto. A água também ajuda a regular nossa temperatura interna e almofadas, protege e lubrifica as articulações e muitas outras estruturas corporais.
Os nutrientes que produzem energia são principalmente carboidratos e lipídios, enquanto as proteínas fornecem principalmente os aminoácidos que são os blocos de construção do próprio corpo. Você os ingere em alimentos e bebidas vegetais e animais, e o sistema digestivo os decompõe em moléculas pequenas o suficiente para serem absorvidas. Os produtos de degradação de carboidratos e lipídios podem então ser utilizados nos processos metabólicos que os convertem em ATP. Embora você possa sentir como se estivesse faminto depois de perder uma única refeição, você pode sobreviver sem consumir os nutrientes que produzem energia por pelo menos várias semanas.
A água e os nutrientes que produzem energia também são referidos como macronutrientes porque o corpo precisa deles em grandes quantidades. Em contraste, os micronutrientes são vitaminas e minerais. Estes elementos e compostos participam em muitas reacções e processos químicos essenciais, tais como impulsos nervosos, e alguns, como o cálcio, também contribuem para a estrutura do organismo. O seu corpo pode armazenar alguns dos micronutrientes nos seus tecidos, e recorrer a essas reservas se não os consumir na sua dieta durante alguns dias ou semanas. Alguns outros micronutrientes, como a vitamina C e a maioria das vitaminas B, são solúveis em água e não podem ser armazenados, então você precisa consumi-los todos os dias ou dois.
Narrow Range of Temperature
Você provavelmente já viu notícias sobre atletas que morreram de insolação, ou caminhantes que morreram de exposição ao frio. Tais mortes ocorrem porque as reações químicas das quais o corpo depende só podem ocorrer dentro de uma faixa estreita da temperatura corporal, de um pouco abaixo a um pouco acima de 37°C (98.6°F). Quando a temperatura corporal sobe bem acima ou desce bem abaixo do normal, certas proteínas (enzimas) que facilitam as reacções químicas perdem a sua estrutura normal e a sua capacidade de funcionamento e as reacções químicas do metabolismo não podem prosseguir.
Figure 1. Calor Extremo. Os humanos adaptam-se em algum grau à exposição repetida a altas temperaturas. (crédito: McKay Savage/flickr)
Dito isto, o corpo pode responder eficazmente à exposição de curto prazo ao calor (Figura 1) ou ao frio. Uma das respostas do corpo ao calor é, naturalmente, o suor. Como o suor evapora da pele, ele remove alguma energia térmica do corpo, resfriando-o. Água adequada (do fluido extracelular do corpo) é necessária para produzir o suor, por isso uma ingestão adequada de fluido é essencial para equilibrar essa perda durante a resposta ao suor. Não é surpreendente que a resposta ao suor seja muito menos eficaz num ambiente húmido, porque o ar já está saturado com água. Assim, o suor na superfície da pele não é capaz de evaporar, e a temperatura interna do corpo pode ficar perigosamente alta.
O corpo também pode responder eficazmente à exposição ao frio a curto prazo. Uma resposta ao frio é o tremor, que é um movimento muscular aleatório que gera calor. Outra resposta é o aumento da decomposição da energia armazenada para gerar calor. Quando essa reserva de energia se esgota e a temperatura central começa a cair significativamente, os glóbulos vermelhos perderão sua capacidade de desistir do oxigênio, negando o cérebro desse componente crítico da produção de ATP. Essa falta de oxigênio pode causar confusão, letargia e, eventualmente, perda de consciência e morte. O corpo responde ao frio, reduzindo a circulação sanguínea para as extremidades, mãos e pés, a fim de evitar que o sangue arrefeça ali e para que o núcleo do corpo possa permanecer quente. Mesmo quando a temperatura corporal permanece estável, no entanto, os tecidos expostos ao frio severo, especialmente os dedos das mãos e dos pés, podem desenvolver queimaduras por congelamento quando o fluxo de sangue para as extremidades foi muito reduzido. Esta forma de dano dos tecidos pode ser permanente e levar à gangrena, requerendo amputação da região afetada.
Conexão diária: Hipotermia controlada
Como você aprendeu, o corpo se envolve continuamente em processos fisiológicos coordenados para manter uma temperatura estável. Em alguns casos, no entanto, a substituição deste sistema pode ser útil, ou mesmo salvar vidas. Hipotermia é o termo clínico para uma temperatura corporal anormalmente baixa (hipotermia = “abaixo” ou “abaixo”). Hipotermia controlada é a hipotermia clinicamente induzida realizada para reduzir a taxa metabólica de um órgão ou de todo o corpo de uma pessoa.
Hipotermia controlada é freqüentemente usada, por exemplo, durante cirurgia de coração aberto, porque diminui as necessidades metabólicas do cérebro, coração e outros órgãos, reduzindo o risco de danos a eles. Quando a hipotermia controlada é usada clinicamente, o paciente recebe medicação para prevenir calafrios. O corpo é então resfriado a 25-32°C (79-89°F). O coração é parado e uma bomba de coração-pulmão externa mantém a circulação para o corpo do paciente. O coração é resfriado mais e é mantido a uma temperatura abaixo de 15°C (60°F) durante a cirurgia. Esta temperatura muito fria ajuda o músculo cardíaco a tolerar sua falta de suprimento de sangue durante a cirurgia.
alguns médicos do departamento de emergência usam hipotermia controlada para reduzir os danos ao coração em pacientes que sofreram uma parada cardíaca. No departamento de emergência, o médico induz o coma e baixa a temperatura corporal do paciente para aproximadamente 91 graus. Esta condição, que é mantida por 24 horas, diminui a taxa metabólica do paciente. A pressão atmosférica é a pressão exercida pela mistura de gases (principalmente nitrogênio e oxigênio) na atmosfera da Terra. Embora você possa não perceber isso, a pressão atmosférica está constantemente pressionando para baixo no seu corpo. Esta pressão mantém os gases dentro do seu corpo, tais como o nitrogénio gasoso nos fluidos corporais, dissolvidos. Se você fosse repentinamente expulso de uma nave espacial acima da atmosfera terrestre, você passaria de uma situação de pressão normal para uma de pressão muito baixa. A pressão do gás nitrogênio no seu sangue seria muito mais alta do que a pressão do nitrogênio no espaço ao redor do seu corpo. Como resultado, o gás nitrogénio no seu sangue expandiria, formando bolhas que poderiam bloquear os vasos sanguíneos e até causar a quebra das células.
A pressão atmosférica faz mais do que apenas manter os gases sanguíneos dissolvidos. A sua capacidade de respirar – isto é, de absorver oxigénio e libertar dióxido de carbono – também depende de uma pressão atmosférica precisa. A doença da altitude ocorre em parte porque a atmosfera em altitudes elevadas exerce menos pressão, reduzindo a troca desses gases e causando falta de ar, confusão, dor de cabeça, letargia e náusea. Os alpinistas transportam oxigênio para reduzir os efeitos tanto dos baixos níveis de oxigênio quanto da baixa pressão barométrica em altitudes mais elevadas (Figura 2).
Figure 2. Condições Difíceis. Os escaladores no Monte Evereste devem acomodar frio extremo, baixos níveis de oxigênio e baixa pressão barométrica em um ambiente hostil à vida humana. (crédito: Melanie Ko/flickr)
Desequilíbrios homeostáticos: Doença de descompressão
Doença de descompressão (DCS) é uma condição em que os gases dissolvidos no sangue ou em outros tecidos do corpo não são mais dissolvidos após uma redução da pressão sobre o corpo. Esta condição afecta os mergulhadores subaquáticos que emergem demasiado depressa de um mergulho profundo e pode afectar os pilotos que voam a grandes altitudes em aviões com cabines não pressurizadas. Os mergulhadores frequentemente chamam esta condição de “as curvas”, uma referência à dor nas articulações que é um sintoma de DCS.
Em todos os casos, o DCS é provocado por uma redução na pressão barométrica. A grande altitude, a pressão barométrica é muito menor do que na superfície terrestre porque a pressão é produzida pelo peso da coluna de ar acima do corpo pressionando para baixo no corpo. As pressões muito grandes sobre os mergulhadores em águas profundas são igualmente produzidas pelo peso de uma coluna de água que pressiona para baixo no corpo. Para os mergulhadores, o DCS ocorre à pressão barométrica normal (ao nível do mar), mas é provocado pela diminuição relativamente rápida da pressão à medida que os mergulhadores sobem das condições de alta pressão das águas profundas para a pressão agora baixa, em comparação com a pressão ao nível do mar. Não surpreende, mergulhar em lagos profundos de montanha, onde a pressão barométrica na superfície do lago é menor do que a pressão ao nível do mar é mais provável que resulte em DCS do que mergulhar na água ao nível do mar.
Em DCS, os gases dissolvidos no sangue (principalmente nitrogénio) saem rapidamente da solução, formando bolhas no sangue e em outros tecidos do corpo. Isto ocorre porque quando a pressão de um gás sobre um líquido é reduzida, a quantidade de gás que pode permanecer dissolvido no líquido também é reduzida. É a pressão do ar que mantém os seus gases sanguíneos normais dissolvidos no sangue. Quando a pressão é reduzida, menos gás permanece dissolvido. Você já viu isto em efeito quando você abre uma bebida carbonatada. A remoção do selo da garrafa reduz a pressão do gás sobre o líquido. Isto, por sua vez, causa bolhas, pois os gases dissolvidos (neste caso, o dióxido de carbono) saem da solução no líquido.
Os sintomas mais comuns de DCS são dores nas articulações, com dores de cabeça e distúrbios de visão ocorrendo em 10% a 15% dos casos. Se não for tratado, o DCS muito grave pode resultar em morte. O tratamento imediato é com oxigénio puro. A pessoa afetada é então movida para uma câmara hiperbárica. Uma câmara hiperbárica é uma câmara reforçada e fechada que é pressurizada a uma pressão maior do que a atmosférica. Ela trata o DCS através da repressão do corpo para que a pressão possa então ser removida muito mais gradualmente. Como a câmara hiperbárica introduz oxigênio no corpo a alta pressão, ela aumenta a concentração de oxigênio no sangue. Isto tem o efeito de substituir parte do nitrogênio no sangue por oxigênio, que é mais fácil de tolerar fora da solução.
A pressão dinâmica dos fluidos corporais também é importante para a sobrevivência humana. Por exemplo, a pressão arterial, que é a pressão exercida pelo sangue ao fluir dentro dos vasos sanguíneos, deve ser suficientemente grande para permitir que o sangue atinja todos os tecidos do corpo, e ainda suficientemente baixa para assegurar que os vasos sanguíneos delicados possam suportar o atrito e a força do fluxo pulsante do sangue pressurizado.
Um segundo exemplo de feedback positivo centra-se na inversão de danos extremos ao corpo. Após uma ferida penetrante, a ameaça mais imediata é a perda excessiva de sangue. Menos sangue circulando significa pressão arterial reduzida e perfusão reduzida (penetração do sangue) para o cérebro e outros órgãos vitais. Se a perfusão for gravemente reduzida, os órgãos vitais irão desligar-se e a pessoa irá morrer. O corpo responde a esta potencial catástrofe libertando substâncias na parede dos vasos sanguíneos feridos que iniciam o processo de coagulação do sangue. medida que cada passo da coagulação ocorre, estimula a liberação de mais substâncias de coagulação. Isto acelera o processo de coagulação e a selagem da área danificada. A coagulação é contida numa área local com base na disponibilidade controlada das proteínas de coagulação. Esta é uma cascata de eventos adaptável e que salva vidas.