Lärandemål
- Diskutera syre- och näringsämnenas betydelse för människans överlevnad
- Förklara varför extrem hetta och extrem kyla hotar människans överlevnad
- Förklara hur trycket som utövas av gaser och vätskor påverkar människans överlevnad
- Diskutera homeostasens roll för en sund funktion
- Kontrastera negativ och positiv återkoppling, Ge ett fysiologiskt exempel på varje mekanism
Människor har anpassat sig till livet på jorden under åtminstone de senaste 200 000 åren. Jorden och dess atmosfär har gett oss luft att andas, vatten att dricka och mat att äta, men detta är inte de enda kraven för överlevnad. Även om du kanske sällan tänker på det kan du inte heller leva utanför ett visst temperatur- och tryckintervall som vår planets yta och dess atmosfär tillhandahåller. I de följande avsnitten undersöks dessa fyra livsvillkor.
Syre
Luften i atmosfären består endast till cirka 20 procent av syre, men detta syre är en viktig komponent i de kemiska reaktioner som håller kroppen vid liv, bland annat de reaktioner som producerar ATP. Hjärncellerna är särskilt känsliga för syrebrist eftersom de kräver en hög och stadig produktion av ATP. Hjärnskador är troliga inom fem minuter utan syre, och döden är trolig inom tio minuter.
Näringsämnen
Ett näringsämne är ett ämne i livsmedel och drycker som är viktigt för människans överlevnad. De tre grundläggande klasserna av näringsämnen är vatten, energigivande och kroppsbyggande näringsämnen samt mikronäringsämnen (vitaminer och mineraler).
Det mest kritiska näringsämnet är vatten. Beroende på omgivningstemperaturen och vårt hälsotillstånd kan vi kanske bara överleva några dagar utan vatten. Kroppens funktionskemikalier löses upp och transporteras i vatten, och livets kemiska reaktioner äger rum i vatten. Dessutom är vatten den största beståndsdelen i celler, blod och vätskan mellan cellerna, och vatten utgör cirka 70 procent av en vuxens kroppsmassa. Vatten hjälper också till att reglera vår inre temperatur och dämpar, skyddar och smörjer leder och många andra kroppsstrukturer.
De energigivande näringsämnena är främst kolhydrater och lipider, medan proteiner främst levererar de aminosyror som är byggstenar i själva kroppen. Du får i dig dessa i vegetabiliska och animaliska livsmedel och drycker, och matsmältningssystemet bryter ner dem till molekyler som är tillräckligt små för att absorberas. Kolhydraternas och lipidernas nedbrytningsprodukter kan sedan användas i de metaboliska processer som omvandlar dem till ATP. Även om det kan kännas som om du svälter efter att ha missat en enda måltid kan du överleva utan att konsumera de energigivande näringsämnena i minst flera veckor.
Vatten och de energigivande näringsämnena kallas också för makronutrienter eftersom kroppen behöver dem i stora mängder. Mikronäringsämnen är däremot vitaminer och mineraler. Dessa grundämnen och föreningar deltar i många viktiga kemiska reaktioner och processer, t.ex. nervimpulser, och vissa, t.ex. kalcium, bidrar också till kroppens struktur. Din kropp kan lagra en del av mikronäringsämnena i sina vävnader och utnyttja dessa reserver om du inte får i dig dem i din kost under några dagar eller veckor. Vissa andra mikronäringsämnen, till exempel C-vitamin och de flesta B-vitaminer, är vattenlösliga och kan inte lagras, så du måste få i dig dem varje eller varannan dag.
Engt temperaturintervall
Du har säkert sett nyhetsartiklar om idrottsmän som dött av värmeslag eller vandrare som dött av att ha utsatts för kyla. Sådana dödsfall inträffar eftersom de kemiska reaktioner som kroppen är beroende av endast kan äga rum inom ett smalt intervall av kroppstemperatur, från strax under till strax över 37°C (98,6°F). När kroppstemperaturen stiger långt över eller sjunker långt under det normala förlorar vissa proteiner (enzymer) som underlättar kemiska reaktioner sin normala struktur och sin förmåga att fungera, och ämnesomsättningens kemiska reaktioner kan inte fortgå.
Figur 1. Extrem värme. Människor anpassar sig i viss mån till upprepad exponering för höga temperaturer. (kredit: McKay Savage/flickr)
Det sagt kan kroppen reagera effektivt på kortvarig exponering för värme (figur 1) eller kyla. En av kroppens reaktioner på värme är naturligtvis svettning. När svetten avdunstar från huden tar den bort en del värmeenergi från kroppen och kyler den. Tillräckligt med vatten (från kroppens extracellulära vätska) behövs för att producera svett, så ett tillräckligt vätskeintag är viktigt för att balansera förlusten under svettresponsen. Det är inte förvånande att svettresponsen är mycket mindre effektiv i en fuktig miljö eftersom luften redan är mättad med vatten. Därför kan svetten på hudens yta inte avdunsta, och den inre kroppstemperaturen kan bli farligt hög.
Kroppen kan också reagera effektivt på kortvarig exponering för kyla. En reaktion på kyla är rysning, vilket är slumpmässiga muskelrörelser som genererar värme. En annan reaktion är ökad nedbrytning av lagrad energi för att generera värme. När denna energireserv är uttömd och kärntemperaturen börjar sjunka betydligt förlorar dock de röda blodkropparna sin förmåga att avge syre, vilket förnekar hjärnan denna kritiska komponent i ATP-produktionen. Denna syrebrist kan orsaka förvirring, slöhet och slutligen medvetandeförlust och död. Kroppen reagerar på kyla genom att minska blodcirkulationen till extremiteterna, händer och fötter, för att förhindra att blodet kyls ner där och för att kroppens kärna ska kunna hålla sig varm. Även när kroppens kärntemperatur förblir stabil kan dock vävnader som utsätts för sträng kyla, särskilt fingrar och tår, utveckla förfrysningar när blodflödet till extremiteterna har minskat kraftigt. Denna form av vävnadsskada kan vara permanent och leda till kallbrand, vilket kräver amputation av det drabbade området.
Everyday Connection: Kontrollerad hypotermi
Som du har lärt dig, deltar kroppen kontinuerligt i samordnade fysiologiska processer för att upprätthålla en stabil temperatur. I vissa fall kan det dock vara användbart, eller till och med livräddande, att åsidosätta detta system. Hypotermi är den kliniska termen för en onormalt låg kroppstemperatur (hypo- = “under” eller “under”). Kontrollerad hypotermi är kliniskt framkallad hypotermi som utförs för att minska ämnesomsättningen i ett organ eller i en persons hela kropp.
Kontrollerad hypotermi används ofta t.ex. vid operationer med öppet hjärta eftersom den minskar hjärnans, hjärtats och andra organs ämnesomsättningsbehov, vilket minskar risken för skador på dem. När kontrollerad hypotermi används kliniskt får patienten medicinering för att förhindra rysningar. Kroppen kyls sedan ned till 25-32 °C (79-89 °F). Hjärtat stoppas och en extern hjärt-lungpump upprätthåller cirkulationen i patientens kropp. Hjärtat kyls ytterligare och hålls vid en temperatur under 15 °C (60 °F) under hela operationen. Denna mycket kalla temperatur hjälper hjärtmuskeln att tolerera bristen på blodtillförsel under operationen.
Vissa läkare på akutmottagningar använder kontrollerad hypotermi för att minska skadorna på hjärtat hos patienter som har drabbats av ett hjärtstopp. På akutmottagningen framkallar läkaren koma och sänker patientens kroppstemperatur till cirka 91 grader. Detta tillstånd, som bibehålls i 24 timmar, sänker patientens ämnesomsättning. Eftersom patientens organ behöver mindre blod för att fungera minskar hjärtats arbetsbelastning.
Närliggande område för atmosfäriskt tryck
Tryck är en kraft som utövas av ett ämne som är i kontakt med ett annat ämne. Atmosfäriskt tryck är tryck som utövas av blandningen av gaser (främst kväve och syre) i jordens atmosfär. Även om du kanske inte uppfattar det trycker det atmosfäriska trycket ständigt på din kropp. Detta tryck håller gaser i din kropp, t.ex. gasformigt kväve i kroppsvätskor, lösta. Om du plötsligt kastades ut från ett rymdskepp ovanför jordens atmosfär skulle du gå från en situation med normalt tryck till en situation med mycket lågt tryck. Trycket hos kvävgasen i ditt blod skulle vara mycket högre än trycket hos kvävet i det utrymme som omger din kropp. Som ett resultat skulle kvävgasen i ditt blod expandera och bilda bubblor som skulle kunna blockera blodkärl och till och med få celler att brytas sönder.
Atmosfäriskt tryck gör mer än att bara hålla blodgaser lösta. Din förmåga att andas – det vill säga att ta in syre och släppa ut koldioxid – är också beroende av ett exakt atmosfäriskt tryck. Höjdsjuka uppstår delvis på grund av att atmosfären på höga höjder utövar ett lägre tryck, vilket minskar utbytet av dessa gaser och orsakar andnöd, förvirring, huvudvärk, slöhet och illamående. Bergsklättrare bär med sig syrgas för att minska effekterna av både låga syrenivåer och lågt barometertryck på högre höjder (figur 2).
Figur 2. Hårda förhållanden. Klättrare på Mount Everest måste hantera extrem kyla, låga syrenivåer och lågt barometertryck i en miljö som är fientlig för mänskligt liv. (kredit: Melanie Ko/flickr)
Hemostatiska obalanser: Dekompressionssjuka
Dekompressionssjuka (DCS) är ett tillstånd där gaser som är lösta i blodet eller i andra kroppsvävnader inte längre löses upp efter en minskning av trycket på kroppen. Detta tillstånd drabbar undervattensdykare som kommer upp till ytan från ett djupt dyk för snabbt, och det kan drabba piloter som flyger på hög höjd i flygplan med trycklösa kabiner. Dykare kallar ofta detta tillstånd för “the bends”, en hänvisning till ledvärk som är ett symptom på DCS.
I alla fall orsakas DCS av en sänkning av det barometriska trycket. På hög höjd är det barometriska trycket mycket lägre än på jordens yta eftersom trycket produceras av vikten av luftpelaren ovanför kroppen som trycker ner på kroppen. Det mycket stora trycket på dykare på djupt vatten beror också på vikten av en vattenpelare som trycker ner på kroppen. För dykare uppstår DCS vid normalt barometriskt tryck (på havsnivå), men det framkallas av den relativt snabba tryckminskningen när dykare stiger från det höga trycket på djupt vatten till det i jämförelse låga trycket på havsnivå. Det är inte förvånande att dykning i djupa bergssjöar, där det barometriska trycket vid sjöytan är lägre än på havsnivå, är mer sannolikt att leda till DCS än dykning i vatten på havsnivå.
I DCS kommer gaser som är lösta i blodet (främst kväve) snabbt ur lösningen och bildar bubblor i blodet och i andra kroppsvävnader. Detta inträffar eftersom när trycket av en gas över en vätska minskar, minskar också mängden gas som kan förbli löst i vätskan. Det är lufttrycket som håller dina normala blodgaser lösta i blodet. När trycket minskar blir mindre gas löst. Du har sett detta i praktiken när du öppnar en kolsyrad dryck. Genom att ta bort förseglingen på flaskan minskar gasens tryck över vätskan. Detta orsakar i sin tur bubblor när upplösta gaser (i det här fallet koldioxid) kommer ur lösningen i vätskan.
De vanligaste symtomen på DCS är smärta i lederna, med huvudvärk och synstörningar som förekommer i 10 procent till 15 procent av fallen. Obehandlad kan mycket allvarlig DCS leda till döden. Omedelbar behandling sker med rent syre. Den drabbade personen flyttas sedan till en hyperbarisk kammare. En hyperbarisk kammare är en förstärkt, sluten kammare som är trycksatt till ett högre tryck än det atmosfäriska. Den behandlar DCS genom att trycket återställs i kroppen så att trycket sedan kan avlägsnas mycket mer gradvis. Eftersom den hyperbara kammaren tillför syre till kroppen vid högt tryck ökar koncentrationen av syre i blodet. Detta leder till att en del av kvävet i blodet ersätts med syre, som är lättare att tolerera ur lösningen.
Det dynamiska trycket i kroppsvätskor är också viktigt för människans överlevnad. Till exempel måste blodtrycket, som är det tryck som blodet utövar när det flyter i blodkärlen, vara tillräckligt stort för att blodet ska kunna nå alla kroppsvävnader, men ändå tillräckligt lågt för att de känsliga blodkärlen ska kunna stå emot friktionen och kraften från det pulserande flödet av trycksatt blod.
Ett andra exempel på positiv återkoppling handlar om att vända extrema skador på kroppen. Efter ett penetrerande sår är det mest omedelbara hotet överdriven blodförlust. Mindre blod som cirkulerar innebär sänkt blodtryck och minskad perfusion (penetration av blod) till hjärnan och andra vitala organ. Om perfusionen är allvarligt nedsatt kommer vitala organ att stänga av och personen kommer att dö. Kroppen reagerar på denna potentiella katastrof genom att frigöra ämnen i den skadade blodkärlsväggen som påbörjar blodkoaguleringsprocessen. När varje steg i koagulationen inträffar stimulerar det frisättningen av fler koagulationsämnen. Detta påskyndar processerna för koagulering och försegling av det skadade området. Koagulationen begränsas till ett lokalt område baserat på den noggrant kontrollerade tillgången på koagulationsproteiner. Detta är en adaptiv, livräddande kaskad av händelser.