Obiective de învățare
- Discutați rolul oxigenului și al nutrienților în menținerea supraviețuirii umane
- Explicați de ce căldura extremă și frigul extrem amenință supraviețuirea umană
- Explicați modul în care presiunea exercitată de gaze și fluide influențează supraviețuirea umană
- Discutați rolul homeostaziei în funcționarea sănătoasă
- Contrapuneți feedback-ul negativ și pozitiv, oferind un exemplu fiziologic al fiecărui mecanism
Oamenii s-au adaptat la viața pe Pământ cel puțin în ultimii 200.000 de ani. Pământul și atmosfera sa ne-au oferit aer pentru a respira, apă pentru a bea și hrană pentru a mânca, dar acestea nu sunt singurele cerințe pentru supraviețuire. Deși poate că vă gândiți rar la acest lucru, de asemenea, nu puteți trăi în afara unui anumit interval de temperatură și presiune pe care îl oferă suprafața planetei noastre și atmosfera sa. Următoarele secțiuni explorează aceste patru cerințe ale vieții.
Oxigen
Aerul atmosferic are doar aproximativ 20 la sută oxigen, dar acel oxigen este o componentă cheie a reacțiilor chimice care mențin corpul în viață, inclusiv a reacțiilor care produc ATP. Celulele cerebrale sunt deosebit de sensibile la lipsa de oxigen din cauza cerinței lor de a produce ATP în mod constant și intensiv. Deteriorarea creierului este probabilă în cinci minute fără oxigen, iar moartea este probabilă în zece minute.
Nutrienți
Un nutrient este o substanță din alimente și băuturi care este esențială pentru supraviețuirea umană. Cele trei clase de bază de nutrienți sunt apa, nutrienții care produc energie și construiesc organismul și micronutrienții (vitamine și minerale).
Cel mai critic nutrient este apa. În funcție de temperatura mediului și de starea noastră de sănătate, este posibil să putem supraviețui doar câteva zile fără apă. Substanțele chimice funcționale ale organismului sunt dizolvate și transportate în apă, iar reacțiile chimice ale vieții au loc în apă. Mai mult decât atât, apa este cea mai mare componentă a celulelor, a sângelui și a fluidului dintre celule, iar apa reprezintă aproximativ 70 % din masa corporală a unui adult. De asemenea, apa ajută la reglarea temperaturii noastre interne și amortizează, protejează și lubrifiază articulațiile și multe alte structuri ale corpului.
Nutrienții care produc energie sunt în principal carbohidrații și lipidele, în timp ce proteinele furnizează în principal aminoacizii care sunt elementele constitutive ale corpului însuși. Pe aceștia îi ingerați în alimente și băuturi de origine vegetală și animală, iar sistemul digestiv îi descompune în molecule suficient de mici pentru a fi absorbite. Produsele de descompunere ale carbohidraților și lipidelor pot fi apoi utilizate în procesele metabolice care le transformă în ATP. Deși s-ar putea să vă simțiți ca și cum ați muri de foame după ce lipsește o singură masă, puteți supraviețui fără să consumați substanțele nutritive care produc energie timp de cel puțin câteva săptămâni.
Apa și substanțele nutritive care produc energie sunt denumite și macronutrienți, deoarece organismul are nevoie de ele în cantități mari. În schimb, micronutrienții sunt vitaminele și mineralele. Aceste elemente și compuși participă la multe reacții și procese chimice esențiale, cum ar fi impulsurile nervoase, iar unele, cum ar fi calciul, contribuie, de asemenea, la structura organismului. Organismul dumneavoastră poate stoca o parte din micronutrienți în țesuturile sale și poate apela la aceste rezerve dacă nu reușiți să le consumați în dieta dumneavoastră timp de câteva zile sau săptămâni. Alți micronutrienți, cum ar fi vitamina C și majoritatea vitaminelor B, sunt solubile în apă și nu pot fi stocate, așa că trebuie să le consumați în fiecare zi sau două.
Limită îngustă de temperatură
Ați văzut probabil știri despre atleți care au murit din cauza unui atac de căldură sau despre excursioniști care au murit din cauza expunerii la frig. Astfel de decese au loc deoarece reacțiile chimice de care depinde organismul nu pot avea loc decât într-un interval îngust de temperatură corporală, de la puțin sub la puțin peste 37°C (98,6°F). Atunci când temperatura corpului crește mult peste sau scade mult sub cea normală, anumite proteine (enzime) care facilitează reacțiile chimice își pierd structura normală și capacitatea de a funcționa, iar reacțiile chimice ale metabolismului nu pot avea loc.
Figura 1. Căldură extremă. Oamenii se adaptează într-o oarecare măsură la expunerea repetată la temperaturi ridicate. (credit: McKay Savage/flickr)
După aceasta, organismul poate răspunde eficient la expunerea pe termen scurt la căldură (Figura 1) sau la frig. Unul dintre răspunsurile organismului la căldură este, bineînțeles, transpirația. Pe măsură ce transpirația se evaporă de pe piele, aceasta elimină o parte din energia termică din corp, răcorindu-l. O cantitate adecvată de apă (din lichidul extracelular din organism) este necesară pentru a produce transpirație, astfel încât un aport adecvat de lichide este esențial pentru a echilibra această pierdere în timpul răspunsului de transpirație. Nu este surprinzător faptul că răspunsul de transpirație este mult mai puțin eficient într-un mediu umed, deoarece aerul este deja saturat cu apă. Astfel, transpirația de la suprafața pielii nu se poate evapora, iar temperatura internă a corpului poate ajunge periculos de ridicată.
Corpul poate răspunde eficient și la expunerea pe termen scurt la frig. Un răspuns la frig este tremuratul, care este o mișcare musculară aleatorie care generează căldură. Un alt răspuns este creșterea descompunerii energiei stocate pentru a genera căldură. Cu toate acestea, atunci când această rezervă de energie este epuizată și temperatura centrală începe să scadă semnificativ, globulele roșii din sânge își vor pierde capacitatea de a ceda oxigen, refuzând creierului această componentă critică a producției de ATP. Această lipsă de oxigen poate provoca confuzie, letargie și, în cele din urmă, pierderea cunoștinței și moartea. Organismul răspunde la frig prin reducerea circulației sângelui la extremități, la mâini și picioare, pentru a împiedica sângele să se răcească acolo și pentru ca miezul corpului să rămână cald. Cu toate acestea, chiar și atunci când temperatura corpului de bază rămâne stabilă, țesuturile expuse la un frig sever, în special degetele de la mâini și de la picioare, pot dezvolta degerături atunci când circulația sângelui la extremități a fost mult redusă. Această formă de deteriorare a țesuturilor poate fi permanentă și poate duce la gangrenă, necesitând amputarea regiunii afectate.
Conexiune în fiecare zi: Hipotermia controlată
După cum ați învățat, organismul se angajează continuu în procese fiziologice coordonate pentru a menține o temperatură stabilă. Cu toate acestea, în unele cazuri, anularea acestui sistem poate fi utilă sau chiar salvatoare de viață. Hipotermia este termenul clinic pentru o temperatură corporală anormal de scăzută (hypo- = “sub” sau “sub”). Hipotermia controlată este hipotermia indusă clinic, efectuată pentru a reduce rata metabolică a unui organ sau a întregului corp al unei persoane.
Hipotermia controlată este adesea utilizată, de exemplu, în timpul unei operații pe cord deschis, deoarece scade nevoile metabolice ale creierului, inimii și ale altor organe, reducând riscul de deteriorare a acestora. Atunci când hipotermia controlată este utilizată clinic, pacientului i se administrează medicamente pentru a preveni tremuratul. Apoi, corpul este răcit la 25-32°C (79-89°F). Inima este oprită și o pompă cardio-pulmonară externă menține circulația în corpul pacientului. Inima este răcită în continuare și este menținută la o temperatură sub 15°C (60°F) pe durata intervenției chirurgicale. Această temperatură foarte rece ajută mușchiul cardiac să tolereze lipsa alimentării cu sânge în timpul operației.
Câțiva medici din departamentele de urgență folosesc hipotermia controlată pentru a reduce deteriorarea inimii la pacienții care au suferit un stop cardiac. În departamentul de urgență, medicul induce coma și scade temperatura corpului pacientului la aproximativ 91 de grade. Această stare, care este menținută timp de 24 de ore, încetinește rata metabolică a pacientului. Deoarece organele pacientului au nevoie de mai puțin sânge pentru a funcționa, volumul de muncă al inimii este redus.
Limită îngustă a presiunii atmosferice
Presiunea este o forță exercitată de o substanță care se află în contact cu o altă substanță. Presiunea atmosferică este presiunea exercitată de amestecul de gaze (în principal azot și oxigen) din atmosfera terestră. Deși este posibil să nu o percepeți, presiunea atmosferică apasă în mod constant asupra corpului dumneavoastră. Această presiune menține dizolvate gazele din corpul dumneavoastră, cum ar fi azotul gazos din fluidele corporale. Dacă ați fi ejectat brusc dintr-o navă spațială deasupra atmosferei Pământului, ați trece de la o situație de presiune normală la una de presiune foarte scăzută. Presiunea azotului gazos din sângele dumneavoastră ar fi mult mai mare decât presiunea azotului din spațiul din jurul corpului dumneavoastră. Ca urmare, azotul gazos din sângele dumneavoastră s-ar dilata, formând bule care ar putea bloca vasele de sânge și chiar ar putea provoca ruperea celulelor.
Presiunea atmosferică face mai mult decât să mențină gazele din sânge dizolvate. Capacitatea dumneavoastră de a respira – adică de a inspira oxigen și de a elibera dioxid de carbon – depinde, de asemenea, de o presiune atmosferică precisă. Răul de altitudine apare în parte pentru că atmosfera la altitudini mari exercită o presiune mai mică, reducând schimbul acestor gaze și provocând dificultăți de respirație, confuzie, dureri de cap, letargie și greață. Alpiniștii transportă oxigen pentru a reduce efectele atât ale nivelului scăzut de oxigen, cât și ale presiunii barometrice scăzute la altitudini mai mari (figura 2).
Figura 2. Condiții dure. Alpiniștii de pe Muntele Everest trebuie să se acomodeze cu frigul extrem, nivelurile scăzute de oxigen și presiunea barometrică scăzută într-un mediu ostil vieții umane. (credit: Melanie Ko/flickr)
Dezechilibre homeostatice: Boala de decompresie
Boala de decompresie (DCS) este o afecțiune în care gazele dizolvate în sânge sau în alte țesuturi ale corpului nu se mai dizolvă în urma unei reduceri a presiunii asupra corpului. Această afecțiune afectează scafandrii subacvatici care ies la suprafață după o scufundare la mare adâncime prea repede și poate afecta piloții care zboară la altitudini mari în avioane cu cabină nepresurizată. Scafandrii numesc adesea această afecțiune “the bends”, o referire la durerea articulară care este un simptom al DCS.
În toate cazurile, DCS este provocată de o reducere a presiunii barometrice. La altitudine mare, presiunea barometrică este mult mai mică decât la suprafața Pământului, deoarece presiunea este produsă de greutatea coloanei de aer de deasupra corpului care apasă asupra acestuia. Presiunile foarte mari la care sunt supuși scafandrii în ape de mare adâncime provin, de asemenea, din greutatea unei coloane de apă care apasă asupra corpului. Pentru scafandri, DCS apare la presiune barometrică normală (la nivelul mării), dar este provocată de scăderea relativ rapidă a presiunii pe măsură ce scafandrii se ridică de la condițiile de presiune ridicată din apele de adâncime la presiunea acum scăzută, prin comparație, de la nivelul mării. Nu este surprinzător faptul că scufundările în lacuri adânci de munte, unde presiunea barometrică la suprafața lacului este mai mică decât cea de la nivelul mării, sunt mai susceptibile de a produce DCS decât scufundările în apă la nivelul mării.
În DCS, gazele dizolvate în sânge (în primul rând azotul) ies rapid din soluție, formând bule în sânge și în alte țesuturi ale corpului. Acest lucru se întâmplă deoarece atunci când presiunea unui gaz asupra unui lichid este redusă, cantitatea de gaz care poate rămâne dizolvată în lichid este, de asemenea, redusă. Presiunea aerului este cea care menține gazele sanguine normale dizolvate în sânge. Atunci când presiunea este redusă, mai puțin gaz rămâne dizolvat. Ați văzut acest lucru în practică atunci când deschideți o băutură carbogazoasă. Îndepărtarea sigiliului sticlei reduce presiunea gazului asupra lichidului. Acest lucru, la rândul său, provoacă bule pe măsură ce gazele dizolvate (în acest caz, dioxidul de carbon) ies din soluție în lichid.
Cele mai frecvente simptome ale DCS sunt durerile la nivelul articulațiilor, cu dureri de cap și tulburări de vedere care apar în 10 până la 15 la sută din cazuri. Lăsată netratată, DCS foarte severă poate duce la deces. Tratamentul imediat se face cu oxigen pur. Persoana afectată este apoi mutată într-o cameră hiperbară. O cameră hiperbară este o cameră armată, închisă, care este presurizată la o presiune mai mare decât cea atmosferică. Aceasta tratează DCS prin represurizarea corpului, astfel încât presiunea poate fi apoi eliminată mult mai treptat. Deoarece camera hiperbară introduce oxigen în organism la presiune ridicată, aceasta crește concentrația de oxigen din sânge. Acest lucru are ca efect înlocuirea unei părți din azotul din sânge cu oxigen, care este mai ușor de tolerat în afara soluției.
Presiunea dinamică a fluidelor corporale este, de asemenea, importantă pentru supraviețuirea umană. De exemplu, presiunea sângelui, care este presiunea exercitată de sânge în timp ce curge în interiorul vaselor de sânge, trebuie să fie suficient de mare pentru a permite sângelui să ajungă la toate țesuturile corpului și, în același timp, suficient de scăzută pentru a se asigura că vasele de sânge delicate pot rezista la frecarea și forța fluxului pulsatoriu de sânge presurizat.
Un al doilea exemplu de feedback pozitiv se concentrează pe inversarea daunelor extreme suferite de corp. În urma unei răni penetrante, cea mai imediată amenințare este pierderea excesivă de sânge. Mai puțin sânge care circulă înseamnă o presiune sanguină redusă și o perfuzie (pătrundere a sângelui) redusă către creier și alte organe vitale. Dacă perfuzia este sever redusă, organele vitale se vor opri și persoana va muri. Organismul răspunde la această potențială catastrofă prin eliberarea de substanțe în peretele vasului de sânge lezat care încep procesul de coagulare a sângelui. Pe măsură ce are loc fiecare etapă a coagulării, aceasta stimulează eliberarea mai multor substanțe de coagulare. Acest lucru accelerează procesele de coagulare și de etanșare a zonei lezate. Coagularea este conținută într-o zonă locală pe baza disponibilității strict controlate a proteinelor de coagulare. Aceasta este o cascadă de evenimente adaptive, care salvează vieți.
.