在极端环境中生存：极端环境生理学导论

人体是一台非凡的机器，具有令人难以置信的耐力和适应能力。但当我们把它推向极限时会发生什么？这就是极端环境生理学的领域，它探索人体对远远超出正常环境变量范围的条件的生理反应和适应。

从令人窒息的海洋深处到喜马拉雅山的冰冷高峰，从沙漠的酷热到太空的真空，极端环境对人类生存提出了独特的挑战。了解我们的身体如何应对这些压力因素对于确保在这些严峻环境中工作和探索的个人的安全和表现至关重要。这篇博文概述了极端环境生理学，深入探讨了与地球内外一些最极端环境相关的主要挑战和适应。

什么是极端环境生理学？

极端环境生理学是环境生理学的一个分支学科，侧重于研究人类对极端环境条件的生理反应和适应。这些条件可能包括：

• 极端温度：极端高温（体温过高）和极端低温（体温过低）。
• 高海拔：低氧水平（缺氧）和降低的大气压力。
• 深海：高压和惰性气体的作用。
• 太空：微重力、辐射暴露和密闭环境。

极端环境生理学的目标是了解人体在面对这些极端压力因素时维持体内平衡（稳定的内部环境）的机制。然后，可以将这些知识用于制定预防和治疗高原反应、体温过低、减压病以及与极端环境相关的其他疾病的策略。它还在设计用于保护在这些环境中工作或探索的个人（从宇航员到深海潜水员）的设备和程序中起着至关重要的作用。

极端高温：体温过高的挑战

暴露于极端高温会导致体温过高，这是一种人体温度上升到危险水平的病症。人体通常通过出汗来调节其温度，这使得热量可以通过蒸发散发。然而，在极其炎热和潮湿的环境中，出汗可能不足以预防体温过高。脱水、运动和着装等因素也会增加风险。

对热应激的生理反应：

• 血管舒张：靠近皮肤表面的血管扩张，以增加热量传递到环境中。
• 出汗：汗液蒸发使皮肤冷却并降低体温。
• 心率加快：心脏跳动加快，以将血液循环到皮肤和肌肉。

对热的适应：随着时间的推移，身体可以通过称为适应的过程来适应热应激。这包括：

• 出汗率增加：身体变得更有效地出汗。
• 电解质流失减少：汗液变得更稀，减少了必需电解质的流失。
• 核心温度降低：身体变得更能耐受更高的核心温度。

示例：撒哈拉沙漠的图阿雷格人已经发展出对他们所处环境的极端高温的显着适应能力。他们穿着宽松的衣服以促进通风，喝大量的茶以保持水分，并且比来自较冷气候的人更能耐受脱水。他们还表现出文化习俗，以尽量减少在一天中最热的时候暴露在阳光直射下的时间，例如在夜间进行旅行以避开极端的阳光。

预防和治疗体温过高：

• 保持水分：喝大量液体，尤其是水和富含电解质的饮料。
• 避免剧烈运动：限制在一天中最热的时候的运动。
• 穿宽松的衣服：选择浅色、透气性好的面料。
• 寻求阴凉处：尽量避免阳光直射。
• 使用冷却方法：在皮肤上涂抹冷水，使用风扇，并寻找有空调的环境。

极端寒冷：体温过低的危险

暴露于极端寒冷会导致体温过低，这是一种身体失去热量的速度快于产生热量的速度的情况，导致体温过低到危险水平。体温过低可在任何寒冷环境中发生，但在潮湿或有风的条件下尤其常见，因为这些因素会加速热量流失。这对登山者、滑雪者以及在寒冷气候下在户外工作的人来说是一个重大风险。

对寒冷应激的生理反应：

• 血管收缩：靠近皮肤表面的血管收缩以减少热量流失。
• 颤抖：肌肉快速收缩以产生热量。
• 新陈代谢率增加：身体燃烧更多卡路里以产生热量。

对寒冷的适应：虽然人类不像对热那样有效地适应寒冷，但一定程度的适应是可能的。这可能包括：

• 增加颤抖产热：身体变得更有效地通过颤抖产生热量。
• 非颤抖产热：身体通过新陈代谢过程产生热量，例如棕色脂肪组织 (BAT) 的激活。
• 改善周围循环：身体维持流向四肢的血液，以防止冻伤。

示例：居住在北极地区的土著居民（如因纽特人）已经发展出生理和文化适应能力，以应对极端寒冷。他们的代谢率高于来自温暖气候的人，这有助于他们产生更多热量。他们还穿着由动物皮毛制成的特殊服装，这些服装具有出色的保暖性。他们富含脂肪的饮食也有助于产热。

预防和治疗体温过低：

• 穿合适的衣服：穿多层保暖、防水和防风的衣服。
• 保持干燥：避免弄湿，因为湿衣服会失去其保暖性能。
• 保持能量水平：吃高热量食物以提供燃料用于产热。
• 寻求庇护所：找到一个受保护的区域以避免风和寒冷的暴露。
• 温暖身体：使用外部热源，例如毯子、热饮和身体接触。

高海拔：适应缺氧

在高海拔地区，大气压力降低，导致氧气水平降低（缺氧）。这对人体来说是一个重大的挑战，因为氧气对于细胞呼吸和能量产生至关重要。高原反应，也称为急性高山病 (AMS)，是一种常见病症，当身体无法足够快地适应降低的氧气水平时发生。

对高海拔的生理反应：

• 通气增加：身体呼吸更快更深以增加氧气摄入量。
• 心率增加：心脏跳动加快以将氧气输送到组织。
• 红细胞生成增加：肾脏释放促红细胞生成素 (EPO)，这是一种刺激红细胞（携带氧气）生成的激素。

对高海拔的适应：随着时间的推移，身体可以通过称为适应的过程来适应高海拔。这包括：

• 红细胞质量增加：身体产生更多红细胞，从而增加其载氧能力。
• 毛细血管密度增加：肌肉中发育出更多毛细血管，改善氧气输送。
• 线粒体密度增加：肌细胞增加线粒体的数量，线粒体是利用氧气产生能量的细胞动力工厂。
• 肺动脉高压：肺部血压升高。

示例：喜马拉雅山的夏尔巴人已经进化出对高海拔的显着适应能力。他们的通气率更高，氧饱和度增加，缺氧通气反应 (HVR) 迟钝，这可以防止过度换气和低碳酸血症。他们也有较高的肺动脉压和较大的肺容量。

预防和治疗高原反应：

• 逐渐上升：让身体有时间适应海拔高度。
• 保持水分：喝大量液体。
• 避免饮酒和镇静剂：这些会抑制呼吸并加重缺氧。
• 吃高碳水化合物饮食：在高海拔地区，碳水化合物更容易代谢。
• 药物：乙酰唑胺（醋氮酰胺）有助于加速适应。
• 补充氧气：在严重的高原反应病例中可能需要。

深海：面对深渊的压力

深海潜水由于水施加的极端压力，带来了一系列独特的生理挑战。当潜水员下潜时，压力每下降 10 米（33 英尺）就会增加一个大气压（14.7 psi）。这种压力会对身体产生重大影响，包括肺和其他充满空气的空间的压缩，以及惰性气体被吸收到组织中。

对深海潜水的生理反应：

• 肺部压缩：随着压力的增加，肺部的体积减小。
• 氮麻醉：在高压下，氮气会产生麻醉作用，损害精神功能。
• 减压病（潜水病）：如果潜水员上升得太快，溶解的氮气会在组织和血液中形成气泡，引起疼痛、关节问题，甚至麻痹。
• 氧气中毒：在高分压下，氧气对肺部和中枢神经系统可能具有毒性。

深海潜水的适应：

• 屏住呼吸：一些海洋哺乳动物，如鲸鱼和海豹，已经进化出非凡的屏住呼吸的适应能力，包括血容量增加、储氧能力提高和新陈代谢率降低。
• 耐压性：深海鱼已经进化出适应能力以承受极端压力，包括特化的酶和细胞膜。

示例：东南亚的巴瑶人，也被称为“海上游牧民族”，是技术娴熟的自由潜水员，可以潜到 70 多米的深度，并屏住呼吸数分钟。研究表明，他们的脾脏比其他人群更大，这使他们能够储存更多的充氧红细胞。

预防潜水相关损伤：

• 适当的培训：潜水员应接受潜水技术和安全程序的全面培训。
• 缓慢上升：潜水员应缓慢上升并进行减压停留，以使氮气逐渐从组织中消除。
• 使用混合气体：氦氧混合物（氦氧气）可以降低氮麻醉和减压病的风险。
• 避免过度劳累：剧烈活动会增加减压病的风险。

太空：终极极端环境

可以说，太空是人类冒险进入的最极端环境。宇航员面临许多挑战，包括微重力、辐射暴露、密闭和心理压力。缺乏重力对人体有深远的影响，导致骨质流失、肌肉萎缩和心血管失调。

对太空飞行的生理反应：

• 骨质流失：在没有重力的情况下，骨骼以每月 1-2% 的速度失去密度。
• 肌肉萎缩：由于缺乏使用，肌肉会变弱和萎缩。
• 心血管失调：心脏变得更弱，泵血效率降低。
• 体液转移：体液从下半身转移到上半身，导致面部浮肿和鼻塞。
• 辐射暴露：宇航员受到的辐射水平高于地球上，增加了患癌症的风险。

太空飞行的适应：

• 锻炼：宇航员进行定期锻炼以对抗骨质流失和肌肉萎缩。
• 饮食：富含钙和维生素 D 的均衡饮食对于维持骨骼健康很重要。
• 药物：可以使用双膦酸盐来减缓骨质流失。
• 对策：研究人员正在开发新的对策以减轻微重力的影响，例如人造重力和振动疗法。

示例：宇航员斯科特·凯利在国际空间站 (ISS) 上连续度过了 340 天，这是 NASA 一项研究的一部分，旨在调查长期太空飞行对人体的影响。该研究将斯科特的生理数据与他的同卵双胞胎兄弟马克的数据进行了比较，马克留在地球上。结果表明，斯科特的基因表达、免疫系统和认知功能都发生了重大变化。

太空生理学的未来：

• 长期太空任务：随着人类进一步进入太空，了解并减轻长期太空飞行的生理影响的需求变得更加关键。
• 太空殖民：在其他星球上建立永久定居点将需要彻底了解人类如何适应这些世界的独特环境。
• 个性化医学：根据宇航员的个人需求定制医疗护理对于确保他们在太空中的健康和表现至关重要。

结论

极端环境生理学是一个引人入胜且重要的领域，它探索了人类适应的极限。通过了解我们的身体如何应对极端高温、低温、高海拔、深度和太空的挑战，我们可以制定策略来保护在这些严峻环境中工作和探索的个人。随着我们继续突破人类探索的界限，从极端环境生理学中获得的知识对于确保那些冒险进入未知领域的人的安全和福祉至关重要。

无论是征服珠穆朗玛峰、潜入最深的海沟，还是冒险进入浩瀚的太空，人类一直被驱使去探索我们世界及其他地方的极限。有了从极端环境生理学中获得的知识和理解，我们可以继续将这些极限推向比以往任何时候都更远的地方。

进一步探索

• 书籍：Kenneth Kamler 著《在极端环境中生存》，James Nestor 著《深海：自由潜水，反叛科学，以及海洋告诉我们关于我们自己的信息》
• 组织：NASA，欧洲航天局 (ESA)，水下和高压医学会 (UHMS)，荒野医学会 (WMS)
• 期刊：《应用生理学杂志》、《航空、航天和环境医学》