Išgyvenimas ekstremaliomis sąlygomis: įvadas į ekstremalios aplinkos fiziologiją

Žmogaus kūnas yra nuostabus mechanizmas, gebantis atlikti neįtikėtinus ištvermės ir adaptacijos žygdarbius. Bet kas atsitinka, kai mes jį stumiame iki ribų? Tai yra ekstremalios aplinkos fiziologijos sritis – sritis, tirianti žmogaus kūno fiziologinius atsakus ir adaptacijas į sąlygas, kurios yra gerokai už normalaus aplinkos kintamųjų diapazono ribų.

Nuo gniuždančių vandenyno gelmių iki ledinių Himalajų viršūnių, nuo deginančio dykumos karščio iki kosmoso vakuumo – ekstremali aplinka kelia unikalius iššūkius žmogaus išgyvenimui. Suprasti, kaip mūsų kūnai susidoroja su šiais stresoriais, yra itin svarbu norint užtikrinti asmenų, dirbančių ir tyrinėjančių šiose sudėtingose aplinkose, saugumą ir veiklos rezultatus. Šis tinklaraščio įrašas pateikia ekstremalios aplinkos fiziologijos apžvalgą, gilindamasis į pagrindinius iššūkius ir adaptacijas, susijusias su kai kuriomis ekstremaliausiomis aplinkomis Žemėje ir už jos ribų.

Kas yra ekstremalios aplinkos fiziologija?

Ekstremalios aplinkos fiziologija yra aplinkos fiziologijos subdisciplina, kuri sutelkia dėmesį į žmogaus fiziologinių atsakų ir adaptacijų į ekstremalias aplinkos sąlygas tyrimą. Šios sąlygos gali apimti:

• Ekstremali temperatūra: Tiek ekstremalus karštis (hipertermija), tiek ekstremalus šaltis (hipotermija).
• Didelis aukštis: Mažas deguonies kiekis (hipoksija) ir sumažėjęs atmosferos slėgis.
• Gilusis jūros: Didelis slėgis ir inertinių dujų poveikis.
• Kosmosas: Mikrogravitacija, radiacijos poveikis ir izoliacija.

Ekstremalios aplinkos fiziologijos tikslas – suprasti mechanizmus, kuriais kūnas palaiko homeostazę (stabilią vidinę aplinką) susidūręs su šiais ekstremaliais stresoriais. Šios žinios gali būti naudojamos kuriant strategijas, skirtas užkirsti kelią ir gydyti aukštikalnių ligą, hipotermiją, dekompresijos ligą ir kitas su ekstremaliomis aplinkomis susijusias sąlygas. Ji taip pat atlieka lemiamą vaidmenį kuriant įrangą ir procedūras, skirtas apsaugoti asmenis, dirbančius ar tyrinėjančius šiose sąlygose, nuo astronautų iki giliavandenio narų.

Ekstremalus karštis: hipertermijos iššūkis

Poveikis ekstremaliam karščiui gali sukelti hipertermiją – būklę, kai kūno temperatūra pakyla iki pavojingo lygio. Žmogaus kūnas normaliai reguliuoja savo temperatūrą prakaituodamas, o tai leidžia šilumai išsisklaidyti garuojant. Tačiau itin karštoje ir drėgnoje aplinkoje prakaitavimo gali nepakakti norint išvengti hipertermijos. Tokie veiksniai kaip dehidratacija, fizinis krūvis ir drabužiai taip pat gali prisidėti prie rizikos.

Fiziologiniai atsakymai į šilumos stresą:

• Kraujagyslių išsiplėtimas: Kraujagyslės netoli odos paviršiaus išsiplečia, kad padidėtų šilumos perdavimas į aplinką.
• Prakaitavimas: Prakaito garavimas atvėsina odą ir sumažina kūno temperatūrą.
• Padidėjęs širdies ritmas: Širdis plaka greičiau, kad kraujas cirkuliuotų į odą ir raumenis.

Aklimatizacija prie karščio: Bėgant laikui organizmas gali prisitaikyti prie šilumos streso per procesą, vadinamą aklimatizacija. Tai apima:

• Padidėjęs prakaito kiekis: Kūnas tampa efektyvesnis prakaituojant.
• Sumažėjęs elektrolitų praradimas: Prakaitas tampa labiau praskiestas, sumažėja būtiniausių elektrolitų praradimas.
• Žemesnė pagrindinė temperatūra: Kūnas tampa atsparesnis aukštesnei pagrindinei temperatūrai.

Pavyzdys: Tuaregai, gyvenantys Sacharos dykumoje, sukūrė puikias adaptacijas prie ekstremalaus jų aplinkos karščio. Jie dėvi laisvus drabužius, kad pagerintų ventiliaciją, geria didelius kiekius arbatos, kad išliktų hidratuoti, ir turi didesnį tolerancijos dehidratacijai laipsnį nei žmonės iš vėsesnio klimato. Jie taip pat rodo kultūrinę praktiką, kuri sumažina tiesioginių saulės spindulių poveikį karščiausiu dienos metu. Pavyzdžiui, karavanai naktį, kad išvengtų ekstremalios saulės.

Hipertermijos prevencija ir gydymas:

• Išlikite hidratuoti: Gerkite daug skysčių, ypač vandens ir elektrolitais praturtintų gėrimų.
• Venkite didelio fizinio aktyvumo: Ribokite fizinį krūvį karščiausią dienos dalį.
• Dėvėkite laisvus drabužius: Rinkitės šviesių spalvų, kvėpuojančius audinius.
• Ieškokite pavėsio: Venkite tiesioginių saulės spindulių kiek įmanoma.
• Naudokite aušinimo metodus: Tepkite vėsiu vandeniu ant odos, naudokite ventiliatorius ir ieškokite oro kondicionuojamos aplinkos.

Ekstremalus šaltis: hipotermijos pavojai

Poveikis ekstremaliam šalčiui gali sukelti hipotermiją – būklę, kai kūnas praranda šilumą greičiau, nei gali ją pagaminti, dėl to kūno temperatūra pavojingai sumažėja. Hipotermija gali atsirasti bet kokioje šaltoje aplinkoje, tačiau ji ypač dažna esant šlapiam ar vėjuotam orui, nes šie veiksniai pagreitina šilumos praradimą. Tai didelis pavojus kalnų laipiotojams, slidininkams ir asmenims, dirbantiems lauke šaltame klimate.

Fiziologiniai atsakymai į šalčio stresą:

• Kraujagyslių susitraukimas: Kraujagyslės netoli odos paviršiaus susitraukia, kad sumažėtų šilumos praradimas.
• Drebulys: Raumenys greitai susitraukia, kad generuotų šilumą.
• Padidėjęs metabolizmo greitis: Kūnas degina daugiau kalorijų, kad pagamintų šilumą.

Aklimatizacija prie šalčio: Nors žmonės ne taip efektyviai prisitaiko prie šalčio kaip prie karščio, tam tikras prisitaikymas yra įmanomas. Tai gali apimti:

• Padidėjęs drebulių termogenezė: Kūnas tampa efektyvesnis generuodamas šilumą drebant.
• Nedrebulių termogenezė: Kūnas gamina šilumą per metabolinius procesus, tokius kaip rudųjų riebalų audinio (BAT) aktyvinimas.
• Pagerinta periferinė kraujotaka: Kūnas palaiko kraujotaką galūnėse, kad išvengtų nušalimo.

Pavyzdys: Šiaurės regionuose gyvenantys čiabuviai, tokie kaip inuitai, sukūrė fiziologines ir kultūrines adaptacijas, kad susidorotų su ekstremaliu šalčiu. Jie turi didesnį metabolizmo greitį nei žmonės iš šiltesnio klimato, o tai padeda jiems generuoti daugiau šilumos. Jie taip pat dėvi specialius drabužius, pagamintus iš gyvūnų odos ir kailių, kurie užtikrina puikią izoliaciją. Jų mityba, kurioje gausu riebalų, taip pat prisideda prie šilumos gamybos.

Hipotermijos prevencija ir gydymas:

• Dėvėkite tinkamus drabužius: Apsirenkite sluoksniais šiltų, vandeniui atsparių ir vėjui nepralaidžių drabužių.
• Likite sausi: Venkite sušlapimo, nes šlapi drabužiai praranda savo izoliacines savybes.
• Palaikykite energijos lygį: Valgykite didelio kaloringumo maisto, kad aprūpintumėte kurą šilumos gamybai.
• Ieškokite prieglobsčio: Raskite saugomą vietą, kad išvengtumėte vėjo ir šalčio poveikio.
• Sušildykite kūną: Naudokite išorinius šilumos šaltinius, tokius kaip antklodės, šilti gėrimai ir kontaktas su kūnu.

Didelis aukštis: adaptacija prie hipoksijos

Dideliame aukštyje atmosferos slėgis mažėja, todėl sumažėja deguonies kiekis (hipoksija). Tai kelia didelį iššūkį žmogaus organizmui, nes deguonis yra būtinas ląstelių kvėpavimui ir energijos gamybai. Aukštikalnių liga, dar vadinama ūmine kalnų liga (AMS), yra dažna būklė, kuri atsiranda, kai kūnas negali pakankamai greitai prisitaikyti prie sumažėjusio deguonies kiekio.

Fiziologiniai atsakymai į didelį aukštį:

• Padidėjusi ventiliacija: Kūnas kvėpuoja greičiau ir giliau, kad padidintų deguonies įsisavinimą.
• Padidėjęs širdies ritmas: Širdis plaka greičiau, kad kraujas cirkuliuotų į audinius.
• Padidėjusi raudonųjų kraujo kūnelių gamyba: Inkstai išskiria eritropoetiną (EPO) – hormoną, kuris stimuliuoja raudonųjų kraujo kūnelių, pernešančių deguonį, gamybą.

Aklimatizacija dideliame aukštyje: Bėgant laikui kūnas gali prisitaikyti prie didelio aukščio per procesą, vadinamą aklimatizacija. Tai apima:

• Padidėjusi raudonųjų kraujo kūnelių masė: Kūnas gamina daugiau raudonųjų kraujo kūnelių, didindamas deguonies pernešimo pajėgumą.
• Padidėjęs kapiliarų tankis: Raumenyse išsivysto daugiau kapiliarų, gerinant deguonies tiekimą.
• Padidėjęs mitochondrijų tankis: Raumenų ląstelės padidina mitochondrijų, ląstelių energijos gamyklų, naudojančių deguonį energijai gaminti, skaičių.
• Plaučių hipertenzija: Kraujospūdis plaučiuose padidėja.

Pavyzdys: Šerpų tauta, gyvenanti Himalajuose, išvystė nuostabias adaptacijas prie didelio aukščio. Jie turi didesnį ventiliacijos dažnį, padidėjusį deguonies prisotinimo lygį ir prislopintą hipoksinį ventiliacinį atsaką (HVR), kuris neleidžia per dideliam hiperventiliacijai ir hipokapnijai. Jie taip pat turi didesnį plaučių arterijų spaudimą ir didesnį plaučių tūrį.

Aukštikalnių ligos prevencija ir gydymas:

• Kilti palaipsniui: Leiskite kūnui laiko prisitaikyti prie aukščio.
• Likite hidratuoti: Gerkite daug skysčių.
• Venkite alkoholio ir raminamųjų: Tai gali slopinti kvėpavimą ir pabloginti hipoksiją.
• Valgykite daug angliavandenių turintį maistą: Angliavandenius lengviau metabolizuoti dideliame aukštyje.
• Vaistai: Acetazolamidas (Diamox) gali padėti pagreitinti aklimatizaciją.
• Papildomas deguonis: Gali būti būtinas esant sunkiems aukštikalnių ligos atvejams.

Gilusis jūra: susidūrimas su bedugnės spaudimu

Giluminis nardymas kelia unikalius fiziologinius iššūkius dėl didelio vandens slėgio. Nardytojui leidžiantis žemyn, slėgis padidėja vienu atmosfera (14,7 psi) kas 10 metrų (33 pėdos) gylio. Šis slėgis gali turėti reikšmingą poveikį organizmui, įskaitant plaučių ir kitų oro pripildytų erdvių suspaudimą ir inertinių dujų įsisavinimą į audinius.

Fiziologiniai atsakymai į giluminį nardymą:

• Plaučių suspaudimas: Plaučių tūris mažėja didėjant slėgiui.
• Azoto narkozė: Esant dideliam slėgiui, azotas gali turėti narkotinį poveikį, pablogindamas protinę funkciją.
• Dekompresijos liga (bendra): Jei naras kyla per greitai, ištirpęs azotas gali sudaryti burbuliukus audiniuose ir kraujyje, sukeldamas skausmą, sąnarių problemas ir net paralyžių.
• Deguonies toksinis poveikis: Esant dideliam daliniam slėgiui, deguonis gali tapti toksiškas plaučiams ir centrinei nervų sistemai.

Adaptacijos giluminiam nardymui:

• Kvėpavimo sulaikymas: Kai kurie jūriniai žinduoliai, tokie kaip banginiai ir ruoniai, išvystė nuostabias adaptacijas kvėpavimui sulaikyti, įskaitant padidėjusį kraujo tūrį, didesnį deguonies saugojimo pajėgumą ir sumažėjusį medžiagų apykaitos greitį.
• Slėgio tolerancija: Giluminės jūros žuvys išvystė adaptacijas, kad atlaikytų ekstremalų slėgį, įskaitant specializuotus fermentus ir ląstelių membranas.

Pavyzdys: Bajau tauta iš Pietryčių Azijos, taip pat žinoma kaip „jūrų klajokliai“, yra kvalifikuoti laisvieji nardytojai, galintys nardyti iki 70 metrų gylio ir sulaikyti kvėpavimą keletą minučių. Tyrimai parodė, kad jie turi didesnį blužnį nei kitos populiacijos, o tai leidžia jiems kaupti daugiau deguonimi prisotintų raudonųjų kraujo kūnelių.

Su nardymu susijusių traumų prevencija:

• Tinkamas mokymas: Narai turėtų būti kruopščiai apmokyti nardymo metodikos ir saugos procedūrų.
• Lėtas kilimas: Narai turėtų kilti lėtai ir daryti dekompresijos sustojimus, kad azotas palaipsniui būtų pašalintas iš audinių.
• Mišrių dujų naudojimas: Helio-deguonies mišiniai (heliox) gali sumažinti azoto narkozės ir dekompresijos ligos riziką.
• Venkite persitempimo: Didelis fizinis aktyvumas gali padidinti dekompresijos ligos riziką.

Kosmosas: didžiausia ekstremali aplinka

Kosmosas, ko gero, yra pati ekstremaliausia aplinka, į kurią žmonės ryžosi. Astronautai susiduria su daugybe iššūkių, įskaitant mikrogravitaciją, radiacijos poveikį, izoliaciją ir psichologinį stresą. Gravitacijos nebuvimas daro gilų poveikį žmogaus organizmui, sukeldamas kaulų nykimą, raumenų atrofiją ir širdies ir kraujagyslių sistemos dekoncentraciją.

Fiziologiniai atsakymai į skrydžius į kosmosą:

• Kaulų nykimas: Nesant gravitacijos, kaulai praranda tankį maždaug 1–2% per mėnesį.
• Raumenų atrofija: Raumenys silpnėja ir mažėja dėl nenaudojimo.
• Širdies ir kraujagyslių sistemos dekoncentracija: Širdis tampa silpnesnė ir mažiau efektyvi pumpuojant kraują.
• Skysčių perėjimai: Kūno skysčiai pereina iš apatinės į viršutinę kūno dalį, sukeldami veido patinimą ir nosies užgulimą.
• Radiacijos poveikis: Astronautai yra veikiami didesnio radiacijos lygio nei Žemėje, didindami vėžio riziką.

Adaptacijos skrydžiams į kosmosą:

• Pratimai: Astronautai reguliariai mankštinasi, kad neutralizuotų kaulų nykimą ir raumenų atrofiją.
• Mityba: Subalansuota dieta, kurioje gausu kalcio ir vitamino D, yra svarbi norint palaikyti kaulų sveikatą.
• Vaistai: Bifosfonatai gali būti naudojami kaulų nykimui sulėtinti.
• Kontrapriemonės: Tyrėjai kuria naujas kontrapriemones mikrogravitacijos poveikiui sumažinti, pavyzdžiui, dirbtinę gravitaciją ir vibracijos terapiją.

Pavyzdys: Astronautas Scottas Kelly praleido 340 iš eilės dienų Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) kaip NASA tyrimo, skirto ištirti ilgalaikių skrydžių į kosmosą poveikį žmogaus organizmui, dalis. Tyrimas palygino Scotto fiziologinius duomenis su jo identiško dvynio brolio Marko, kuris liko Žemėje, duomenimis. Rezultatai parodė, kad Scottas patyrė reikšmingų pokyčių jo genų ekspresijoje, imuninėje sistemoje ir pažinimo funkcijose.

Kosmoso fiziologijos ateitis:

• Ilgalaikės kosminės misijos: Žmonėms žengiant toliau į kosmosą, poreikis suprasti ir sumažinti ilgalaikių skrydžių į kosmosą fiziologinį poveikį tampa dar kritiškesnis.
• Kosmoso kolonizacija: Nuolatinių gyvenviečių kūrimas kitose planetose pareikalaus išsamaus supratimo, kaip žmonės gali prisitaikyti prie unikalių šių pasaulių aplinkos.
• Personalizuota medicina: Medicininių gydymo metodų pritaikymas individualiems astronautų poreikiams bus būtinas siekiant užtikrinti jų sveikatą ir veiklos rezultatus kosmose.

Išvada

Ekstremalios aplinkos fiziologija yra žavi ir svarbi sritis, tirianti žmogaus adaptacijos ribas. Suprasdami, kaip mūsų kūnai reaguoja į ekstremalaus karščio, šalčio, aukščio, gylio ir kosmoso iššūkius, galime sukurti strategijas asmenų, dirbančių ir tyrinėjančių šiose sudėtingose aplinkose, apsaugai. Mums toliau stumiant žmogaus tyrinėjimo ribas, iš ekstremalios aplinkos fiziologijos gautos žinios bus būtinos norint užtikrinti tų, kurie rizikuoja nežinomybe, saugumą ir gerovę.

Nesvarbu, ar tai būtų Everesto įveikimas, nardymas į giliausias vandenyno tranšėjas, ar kelionė į didžiulius kosmoso plotus, žmonės visada buvo skatinami tyrinėti savo pasaulio ir už jo ribų. O su žiniomis ir supratimu, gautais iš ekstremalios aplinkos fiziologijos, mes galime toliau stumti šias ribas toliau nei bet kada anksčiau.

Tolesnis tyrinėjimas

• Knygos: „Išgyvenimas ekstremaliomis sąlygomis“ (Surviving the Extremes) by Kenneth Kamler, „Deep: Laisvas nardymas, renegatų mokslas ir tai, ką vandenynas mums sako apie save“ by James Nestor
• Organizacijos: NASA, Europos kosmoso agentūra (ESA), Jūrų ir hiperbarinės medicinos draugija (UHMS), Laukinės gamtos medicinos draugija (WMS)
• Žurnalai: Taikomosios fiziologijos žurnalas, Aviacija, kosmosas ir aplinkos medicina