Izdzīvošana ekstrēmos apstākļos: ievads ekstrēmo apstākļu fizioloģijā

Cilvēka ķermenis ir apbrīnojama mašīna, kas spēj uz neticamu izturību un adaptāciju. Bet kas notiek, kad mēs to piespiežam darboties līdz spēju robežai? Tā ir ekstrēmo apstākļu fizioloģijas joma, kas pēta cilvēka ķermeņa fizioloģiskās reakcijas un adaptācijas apstākļos, kas ir tālu ārpus normālā vides mainīgo diapazona.

No okeāna graujošajiem dziļumiem līdz Himalaju ledainajām virsotnēm un no tuksneša svelmainā karstuma līdz kosmosa vakuumam – ekstrēmi apstākļi rada unikālus izaicinājumus cilvēka izdzīvošanai. Izpratne par to, kā mūsu ķermenis tiek galā ar šiem stresa faktoriem, ir izšķiroša, lai nodrošinātu to cilvēku drošību un veiktspēju, kuri strādā un pēta šīs prasīgās vides. Šis bloga ieraksts sniedz pārskatu par ekstrēmo apstākļu fizioloģiju, iedziļinoties galvenajos izaicinājumos un adaptācijās, kas saistītas ar dažām no ekstrēmākajām vidēm uz Zemes un ārpus tās.

Kas ir ekstrēmo apstākļu fizioloģija?

Ekstrēmo apstākļu fizioloģija ir vides fizioloģijas apakšnozare, kas koncentrējas uz cilvēka fizioloģisko reakciju un adaptāciju pētīšanu ekstrēmos vides apstākļos. Šie apstākļi var ietvert:

• Ekstrēmas temperatūras: Gan ekstrēms karstums (hipertermija), gan ekstrēms aukstums (hipotermija).
• Liels augstums: Zems skābekļa līmenis (hipoksija) un samazināts atmosfēras spiediens.
• Dziļjūra: Augsts spiediens un inerto gāzu iedarbība.
• Kosmoss: Mikrogravitācija, radiācijas iedarbība un izolācija.

Ekstrēmo apstākļu fizioloģijas mērķis ir izprast mehānismus, ar kuriem ķermenis uztur homeostāzi (stabilu iekšējo vidi), saskaroties ar šiem ekstrēmajiem stresa faktoriem. Šīs zināšanas var izmantot, lai izstrādātu stratēģijas augstuma slimības, hipotermijas, dekompresijas slimības un citu ar ekstrēmiem apstākļiem saistītu stāvokļu profilaksei un ārstēšanai. Tā arī spēlē izšķirošu lomu aprīkojuma un procedūru izstrādē, lai aizsargātu personas, kas strādā vai veic pētījumus šajos apstākļos, sākot no astronautiem līdz dziļūdens nirējiem.

Ekstrēms karstums: hipertermijas izaicinājums

Ekstrēma karstuma iedarbība var izraisīt hipertermiju – stāvokli, kad ķermeņa temperatūra paaugstinās līdz bīstamam līmenim. Cilvēka ķermenis parasti regulē savu temperatūru ar svīšanu, kas ļauj siltumam izkliedēties iztvaikošanas ceļā. Tomēr ļoti karstā un mitrā vidē ar svīšanu var nepietikt, lai novērstu hipertermiju. Riska faktori ir arī dehidratācija, fiziska slodze un apģērbs.

Fizioloģiskās reakcijas uz karstuma stresu:

• Vazodilatācija: Asinsvadi pie ādas virsmas paplašinās, lai palielinātu siltuma atdevi videi.
• Svīšana: Sviedru iztvaikošana atdzesē ādu un pazemina ķermeņa temperatūru.
• Paātrināta sirdsdarbība: Sirds sūknē asinis ātrāk, lai tās cirkulētu uz ādu un muskuļiem.

Aklimatizācija karstumam: Laika gaitā ķermenis var pielāgoties karstuma stresam procesā, ko sauc par aklimatizāciju. Tas ietver:

• Palielināta svīšana: Ķermenis sāk svīst efektīvāk.
• Samazināts elektrolītu zudums: Sviedri kļūst šķidrāki, samazinot būtisku elektrolītu zudumu.
• Zemāka ķermeņa temperatūra: Ķermenis kļūst tolerantāks pret augstāku ķermeņa temperatūru.

Piemērs: Sahāras tuksneša tuaregu tauta ir attīstījusi apbrīnojamas adaptācijas savas vides ekstrēmajam karstumam. Viņi valkā brīvu apģērbu, lai veicinātu ventilāciju, dzer lielu daudzumu tējas, lai uzturētu hidratāciju, un viņiem ir augstāka tolerance pret dehidratāciju nekā cilvēkiem no vēsāka klimata. Viņiem ir arī kultūras paražas, kas samazina tiešu saules staru iedarbību dienas karstākajā laikā. Piemēram, došanās karavānās naktī, lai izvairītos no ekstrēmās saules.

Hipertermijas profilakse un ārstēšana:

• Uzturiet hidratāciju: Dzeriet daudz šķidruma, īpaši ūdeni un ar elektrolītiem bagātus dzērienus.
• Izvairieties no smagas fiziskas slodzes: Ierobežojiet slodzi dienas karstākajā laikā.
• Valkājiet brīvu apģērbu: Izvēlieties gaišas krāsas, elpojošus audumus.
• Meklējiet ēnu: Izvairieties no tiešiem saules stariem, cik vien iespējams.
• Izmantojiet atvēsināšanas metodes: Aplikiet ādu ar vēsu ūdeni, izmantojiet ventilatorus un meklējiet telpas ar gaisa kondicionētāju.

Ekstrēms aukstums: hipotermijas briesmas

Ekstrēma aukstuma iedarbība var izraisīt hipotermiju – stāvokli, kad ķermenis zaudē siltumu ātrāk, nekā spēj to saražot, kā rezultātā ķermeņa temperatūra kļūst bīstami zema. Hipotermija var rasties jebkurā aukstā vidē, bet tā ir īpaši izplatīta mitros vai vējainos apstākļos, jo šie faktori paātrina siltuma zudumu. Tas ir ievērojams risks alpīnistiem, slēpotājiem un cilvēkiem, kas strādā ārā aukstā klimatā.

Fizioloģiskās reakcijas uz aukstuma stresu:

• Vazokonstrikcija: Asinsvadi pie ādas virsmas sašaurinās, lai samazinātu siltuma zudumu.
• Drebuļi: Muskuļi strauji saraujas, lai radītu siltumu.
• Paaugstināts vielmaiņas ātrums: Ķermenis sadedzina vairāk kaloriju, lai ražotu siltumu.

Aklimatizācija aukstumam: Lai gan cilvēki neaklimatizējas aukstumam tik efektīvi kā karstumam, zināma adaptācija ir iespējama. Tā var ietvert:

• Palielināta drebuļu termoregulācija: Ķermenis kļūst efektīvāks siltuma radīšanā ar drebuļu palīdzību.
• Bez-drebuļu termoregulācija: Ķermenis ražo siltumu ar vielmaiņas procesiem, piemēram, aktivizējot brūnos taukaudus (BAT).
• Uzlabota perifērā cirkulācija: Ķermenis uztur asins plūsmu ekstremitātēs, lai novērstu apsaldējumus.

Piemērs: Pirmiedzīvotāju tautas, kas dzīvo Arktikas reģionos, piemēram, inuiti, ir attīstījušas fizioloģiskas un kultūras adaptācijas, lai tiktu galā ar ekstrēmu aukstumu. Viņiem ir augstāks vielmaiņas ātrums nekā cilvēkiem no siltāka klimata, kas palīdz radīt vairāk siltuma. Viņi arī valkā specializētu apģērbu, kas izgatavots no dzīvnieku ādām un kažokādām, kas nodrošina lielisku izolāciju. Viņu uzturs, kas bagāts ar taukiem, arī veicina siltuma ražošanu.

Hipotermijas profilakse un ārstēšana:

• Valkājiet piemērotu apģērbu: Ģērbieties vairākās kārtās siltā, ūdensnecaurlaidīgā un vēja necaurlaidīgā apģērbā.
• Palieciet sauss: Izvairieties no samirkšanas, jo mitrs apģērbs zaudē savas izolējošās īpašības.
• Uzturiet enerģijas līmeni: Ēdiet augstas kaloritātes pārtiku, lai nodrošinātu degvielu siltuma ražošanai.
• Meklējiet patvērumu: Atrodiet aizsargātu vietu, lai izvairītos no vēja un aukstuma iedarbības.
• Sildiet ķermeni: Izmantojiet ārējus siltuma avotus, piemēram, segas, siltus dzērienus un ķermeņa kontaktu.

Liels augstums: pielāgošanās hipoksijai

Lielā augstumā atmosfēras spiediens samazinās, kā rezultātā skābekļa līmenis ir zemāks (hipoksija). Tas rada ievērojamu izaicinājumu cilvēka ķermenim, jo skābeklis ir būtisks šūnu elpošanai un enerģijas ražošanai. Augstuma slimība, pazīstama arī kā akūta kalnu slimība (AMS), ir izplatīts stāvoklis, kas rodas, ja ķermenis nespēj pietiekami ātri pielāgoties samazinātajam skābekļa līmenim.

Fizioloģiskās reakcijas uz lielu augstumu:

• Pastiprināta ventilācija: Ķermenis elpo ātrāk un dziļāk, lai palielinātu skābekļa uzņemšanu.
• Paātrināta sirdsdarbība: Sirds sūknē asinis ātrāk, lai cirkulētu skābekli uz audiem.
• Palielināta sarkano asins šūnu ražošana: Nieres izdala eritropoetīnu (EPO), hormonu, kas stimulē sarkano asins šūnu, kuras pārnēsā skābekli, ražošanu.

Aklimatizācija lielā augstumā: Laika gaitā ķermenis var pielāgoties lielam augstumam procesā, ko sauc par aklimatizāciju. Tas ietver:

• Palielināta sarkano asins šūnu masa: Ķermenis ražo vairāk sarkano asins šūnu, palielinot skābekļa pārnešanas spēju.
• Palielināts kapilāru blīvums: Muskuļos attīstās vairāk kapilāru, uzlabojot skābekļa piegādi.
• Palielināts mitohondriju blīvums: Muskuļu šūnas palielina mitohondriju skaitu – šūnu spēkstaciju, kas izmanto skābekli enerģijas ražošanai.
• Plaušu hipertensija: Asinsspiediens plaušās paaugstinās.

Piemērs: Himalaju šerpu tauta ir evolucionējusi ar apbrīnojamām adaptācijām lielam augstumam. Viņiem ir augstāks ventilācijas ātrums, paaugstināts skābekļa piesātinājuma līmenis un notrulināta hipoksiskā ventilācijas atbilde (HVR), kas novērš pārmērīgu hiperventilāciju un hipokapniju. Viņiem ir arī augstāks plaušu artērijas spiediens un lielāks plaušu tilpums.

Augstuma slimības profilakse un ārstēšana:

• Kāpiet pakāpeniski: Dodiet ķermenim laiku aklimatizēties augstumam.
• Uzturiet hidratāciju: Dzeriet daudz šķidruma.
• Izvairieties no alkohola un nomierinošiem līdzekļiem: Tie var nomākt elpošanu un pasliktināt hipoksiju.
• Ēdiet ar ogļhidrātiem bagātu uzturu: Ogļhidrātus ir vieglāk metabolizēt lielā augstumā.
• Medikamenti: Acetazolamīds (Diamox) var palīdzēt paātrināt aklimatizāciju.
• Papildu skābeklis: Var būt nepieciešams smagos augstuma slimības gadījumos.

Dziļjūra: saskarsme ar bezdibeņa spiedienu

Niršana dziļjūrā rada unikālu fizioloģisku izaicinājumu kopumu ūdens radītā ekstrēmā spiediena dēļ. Nirējam nolaižoties, spiediens palielinās par vienu atmosfēru (14.7 psi) uz katriem 10 metru (33 pēdu) dziļuma. Šim spiedienam var būt ievērojama ietekme uz ķermeni, ieskaitot plaušu un citu ar gaisu pildītu telpu saspiešanu, kā arī inerto gāzu uzsūkšanos audos.

Fizioloģiskās reakcijas uz niršanu dziļjūrā:

• Plaušu saspiešana: Plaušu tilpums samazinās, palielinoties spiedienam.
• Slāpekļa narkoze: Augstā spiedienā slāpeklim var būt narkotiska iedarbība, kas pasliktina garīgās funkcijas.
• Dekompresijas slimība ("kesona slimība"): Ja nirējs paceļas pārāk ātri, izšķīdušais slāpeklis var veidot burbuļus audos un asinsritē, izraisot sāpes, locītavu problēmas un pat paralīzi.
• Skābekļa toksicitāte: Augstā parciālajā spiedienā skābeklis var kļūt toksisks plaušām un centrālajai nervu sistēmai.

Adaptācijas niršanai dziļjūrā:

• Elpas aizturēšana: Dažiem jūras zīdītājiem, piemēram, vaļiem un roņiem, ir attīstījušās apbrīnojamas adaptācijas elpas aizturēšanai, tostarp palielināts asins tilpums, lielāka skābekļa uzglabāšanas kapacitāte un samazināts vielmaiņas ātrums.
• Spiediena tolerance: Dziļjūras zivis ir attīstījušas adaptācijas, lai izturētu ekstrēmu spiedienu, tostarp specializētus enzīmus un šūnu membrānas.

Piemērs: Dienvidaustrumāzijas bajau tauta, pazīstama arī kā "jūras nomadi", ir prasmīgi brīvie nirēji, kuri var nirt dziļumā virs 70 metriem un aizturēt elpu vairākas minūtes. Pētījumi ir parādījuši, ka viņiem ir lielāka liesa nekā citām populācijām, kas ļauj uzglabāt vairāk ar skābekli bagātu sarkano asins šūnu.

Ar niršanu saistītu traumu profilakse:

• Pienācīga apmācība: Nirējiem jāsaņem rūpīga apmācība par niršanas tehniku un drošības procedūrām.
• Lēna pacelšanās: Nirējiem jāpaceļas lēni un jāveic dekompresijas pieturas, lai ļautu slāpeklim pakāpeniski izdalīties no audiem.
• Jauktu gāzu izmantošana: Hēlija-skābekļa maisījumi (heliokss) var samazināt slāpekļa narkozes un dekompresijas slimības risku.
• Izvairieties no pārmērīgas slodzes: Smaga fiziska slodze var palielināt dekompresijas slimības risku.

Kosmoss: galējā ekstrēmā vide

Kosmoss, iespējams, ir visgrūtākā vide, kurā cilvēki ir devušies. Astronauti saskaras ar daudziem izaicinājumiem, tostarp mikrogravitāciju, radiācijas iedarbību, izolāciju un psiholoģisko stresu. Gravitācijas trūkumam ir dziļa ietekme uz cilvēka ķermeni, izraisot kaulu masas zudumu, muskuļu atrofiju un sirds un asinsvadu sistēmas dekondicionēšanos.

Fizioloģiskās reakcijas uz lidojumu kosmosā:

• Kaulu masas zudums: Gravitācijas trūkuma apstākļos kauli zaudē blīvumu ar ātrumu 1-2% mēnesī.
• Muskuļu atrofija: Muskuļi kļūst vājāki un sarūk nepietiekamas slodzes dēļ.
• Kardiovaskulārā dekondicionēšanās: Sirds kļūst vājāka un mazāk efektīva asins sūknēšanā.
• Šķidruma pārvietošanās: Ķermeņa šķidrumi pārvietojas no apakšējās uz augšējo ķermeņa daļu, izraisot sejas pietūkumu un deguna aizlikumu.
• Radiācijas iedarbība: Astronauti ir pakļauti augstākam radiācijas līmenim nekā uz Zemes, palielinot vēža risku.

Adaptācijas lidojumam kosmosā:

• Vingrošana: Astronauti regulāri vingro, lai novērstu kaulu masas zudumu un muskuļu atrofiju.
• Diēta: Sabalansēts uzturs, kas bagāts ar kalciju un D vitamīnu, ir svarīgs kaulu veselības uzturēšanai.
• Medikamenti: Bisfosfonātus var lietot, lai palēninātu kaulu masas zudumu.
• Pretdarbības pasākumi: Pētnieki izstrādā jaunus pretdarbības pasākumus, lai mazinātu mikrogravitācijas ietekmi, piemēram, mākslīgo gravitāciju un vibrācijas terapiju.

Piemērs: Astronauts Skots Kellijs pavadīja 340 dienas pēc kārtas Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS) NASA pētījuma ietvaros, lai izpētītu ilgstoša lidojuma kosmosā ietekmi uz cilvēka ķermeni. Pētījumā Skota fizioloģiskie dati tika salīdzināti ar viņa identiskā dvīņu brāļa Marka datiem, kurš palika uz Zemes. Rezultāti parādīja, ka Skotam bija būtiskas izmaiņas gēnu ekspresijā, imūnsistēmā un kognitīvajās funkcijās.

Kosmosa fizioloģijas nākotne:

• Ilgstošas kosmosa misijas: Cilvēkiem dodoties tālāk kosmosā, nepieciešamība izprast un mazināt ilgstoša kosmosa lidojuma fizioloģisko ietekmi kļūst vēl kritiskāka.
• Kosmosa kolonizācija: Pastāvīgu apmetņu izveidei uz citām planētām būs nepieciešama rūpīga izpratne par to, kā cilvēki var pielāgoties šo pasauļu unikālajai videi.
• Personalizētā medicīna: Medicīniskās aprūpes pielāgošana astronautu individuālajām vajadzībām būs būtiska viņu veselības un veiktspējas nodrošināšanai kosmosā.

Noslēgums

Ekstrēmo apstākļu fizioloģija ir aizraujoša un svarīga joma, kas pēta cilvēka adaptācijas robežas. Izprotot, kā mūsu ķermenis reaģē uz ekstrēma karstuma, aukstuma, augstuma, dziļuma un kosmosa izaicinājumiem, mēs varam izstrādāt stratēģijas, lai aizsargātu personas, kas strādā un pēta šīs prasīgās vides. Turpinot paplašināt cilvēces izpētes robežas, zināšanas, kas gūtas no ekstrēmo apstākļu fizioloģijas, būs būtiskas, lai nodrošinātu to cilvēku drošību un labklājību, kuri dodas nezināmajā.

Neatkarīgi no tā, vai tas ir Everesta iekarošana, niršana dziļākajos okeāna grāvjos vai došanās plašajā kosmosā, cilvēkus vienmēr ir virzījusi vēlme izpētīt mūsu pasaules un tās robežu tālākos nostūrus. Un ar zināšanām un izpratni, kas gūta no ekstrēmo apstākļu fizioloģijas, mēs varam turpināt šīs robežas paplašināt tālāk nekā jebkad agrāk.

Turpmākai izpētei

• Grāmatas: "Surviving the Extremes" by Kenneth Kamler, "Deep: Freediving, Renegade Science, and What the Ocean Tells Us About Ourselves" by James Nestor
• Organizācijas: NASA, Eiropas Kosmosa aģentūra (EKA), Undersea and Hyperbaric Medical Society (UHMS), Wilderness Medical Society (WMS)
• Žurnāli: Journal of Applied Physiology, Aviation, Space, and Environmental Medicine