Anatomie a fyziologie II

V klidu, vykonává dýchací soustava své funkce v konstantním, rytmickém tempu, které je regulováno dýchacími centry v mozku. Při tomto tempu zajišťuje ventilace dostatečné množství kyslíku pro všechny tkáně těla. V některých případech však musí dýchací systém změnit tempo svých funkcí, aby vyhověl požadavkům organismu na kyslík.

Hyperpnoe

Hyperpnoe je zvýšená hloubka a rychlost ventilace, která má uspokojit zvýšenou potřebu kyslíku, jak se může projevit při cvičení nebo nemoci, zejména při onemocněních zaměřených na dýchací nebo trávicí ústrojí. Tím se významně nemění hladina kyslíku nebo oxidu uhličitého v krvi, ale pouze se zvyšuje hloubka a rychlost ventilace, aby se uspokojily požadavky buněk. Naproti tomu hyperventilace je zvýšená rychlost ventilace, která je nezávislá na potřebě kyslíku v buňkách a vede k abnormálně nízké hladině oxidu uhličitého v krvi a vysokému (zásaditému) pH krve.

Zajímavé je, že cvičení nezpůsobuje hyperpnoe, jak by se mohlo zdát. Svaly, které během cvičení vykonávají práci, však zvyšují své nároky na kyslík, což stimuluje zvýšení ventilace. Zdá se však, že k hyperpnoe během cvičení dochází dříve, než může dojít k poklesu hladiny kyslíku ve svalech. Proto musí být hyperpnoe vyvolána jinými mechanismy, a to buď místo poklesu hladiny kyslíku, nebo vedle něj. Přesné mechanismy, které stojí za hyperpnoe při cvičení, nejsou dobře známy a některé hypotézy jsou poněkud kontroverzní. Zdá se však, že kromě nízké hladiny kyslíku, vysoké hladiny oxidu uhličitého a nízké hladiny pH existuje složitá souhra faktorů souvisejících s nervovým systémem a respiračními centry mozku.

Předně, vědomé rozhodnutí zúčastnit se cvičení nebo jiné formy fyzické námahy vede k psychologickému podnětu, který může spustit respirační centra mozku ke zvýšení ventilace. Kromě toho mohou být respirační centra mozku stimulována prostřednictvím aktivace motorických neuronů, které inervují svalové skupiny, jež se podílejí na fyzické aktivitě. A konečně fyzická námaha stimuluje proprioceptory, což jsou receptory umístěné ve svalech, kloubech a šlachách, které vnímají pohyb a protažení; proprioceptory tak vytvářejí podnět, který může rovněž spustit dýchací centra mozku. Tyto nervové faktory odpovídají náhlému zvýšení ventilace, které je pozorováno bezprostředně po zahájení cvičení. Protože jsou dechová centra stimulována psychologickými, motorickými neuronálními a proprioceptorovými vstupy po celou dobu cvičení, skutečnost, že bezprostředně po skončení cvičení, kdy tyto nervové podněty ustanou, dochází také k náhlému poklesu ventilace, dále podporuje myšlenku, že se podílejí na spouštění změn ventilace.

Vliv vysoké nadmořské výšky

Zvýšení nadmořské výšky vede ke snížení atmosférického tlaku. Přestože podíl kyslíku vzhledem k plynům v atmosféře zůstává na 21 %, jeho parciální tlak se snižuje (viz tabulka 1). V důsledku toho je pro organismus obtížnější dosáhnout stejné úrovně nasycení kyslíkem ve vysoké nadmořské výšce než v nízké nadmořské výšce, a to v důsledku nižšího atmosférického tlaku. Ve skutečnosti je nasycení hemoglobinu ve vysokých nadmořských výškách nižší ve srovnání s nasycením hemoglobinu na úrovni moře. Například ve výšce 19 000 stop nad mořem je nasycení hemoglobinu přibližně 67 %, zatímco u hladiny moře dosahuje přibližně 98 %.

Tabulka 1. Parciální tlak kyslíku v různých nadmořských výškách
Příklad místa	Nadmořská výška (metry nad mořem)	Atmosférický tlak (mm Hg)	Parciální tlak kyslíku (mm Hg)
New York City, New York	0	760	159
Boulder, Colorado	5000	632	133
Aspen, Colorado	8000	565	118
Pike’s Peak, Colorado	14 000	447	94
Denali (Mt. McKinley), Aljaška	20 000	350	73
Mt. Everest, Tibet	29 000	260	54

Jak si vzpomínáte, parciální tlak je nesmírně důležitý pro určení, kolik plynu může projít přes dýchací membránu a dostat se do krve plicních kapilár. Nižší parciální tlak kyslíku znamená, že je menší rozdíl parciálních tlaků mezi alveoly a krví, takže dýchací membránou prochází méně kyslíku. V důsledku toho se na hemoglobin váže méně molekul kyslíku. Navzdory tomu dostávají tělesné tkáně v klidu ve vysokých nadmořských výškách stále dostatečné množství kyslíku. To je způsobeno dvěma hlavními mechanismy. Za prvé, počet molekul kyslíku, které se z krve dostanou do tkání, je u hladiny moře a ve vysokých nadmořských výškách téměř stejný. Na úrovni moře je nasycení hemoglobinu vyšší, ale do tkáně se skutečně uvolní pouze čtvrtina molekul kyslíku. Ve vysokých nadmořských výškách se do tkání uvolňuje větší podíl molekul kyslíku. Za druhé, ve vysokých nadmořských výškách produkují erytrocyty větší množství BPG, což zvyšuje disociaci kyslíku z hemoglobinu. Fyzická námaha, jako je lyžování nebo pěší turistika, může vést k výškové nemoci kvůli malému množství zásob kyslíku v krvi ve vysokých nadmořských výškách. Na úrovni moře je v žilní krvi velké množství zásob kyslíku (přestože žilní krev je považována za „odkysličenou“), ze kterého mohou svaly čerpat během fyzické námahy. Protože ve vyšších nadmořských výškách je saturace kyslíkem mnohem nižší, je tato žilní rezerva malá, což vede k patologickým příznakům nízké hladiny kyslíku v krvi. Možná jste slyšeli, že při cestování ve vyšších nadmořských výškách, než na jaké jste zvyklí, je důležité pít více vody. Je to proto, že vaše tělo ve vysokých nadmořských výškách zvýší mikci (močení), aby působilo proti účinkům nižší hladiny kyslíku. Odvodem tekutin klesá hladina krevní plazmy, nikoli však celkový počet erytrocytů. Tímto způsobem se zvyšuje celková koncentrace erytrocytů v krvi, což pomáhá tkáním získávat potřebný kyslík.

Akutní horská nemoc (AMS) neboli výšková nemoc je stav, který vzniká v důsledku akutní expozice vysokým nadmořským výškám v důsledku nízkého parciálního tlaku kyslíku ve vysokých nadmořských výškách. AMS se obvykle může vyskytnout ve výšce 2400 metrů nad mořem. AMS je důsledkem nízké hladiny kyslíku v krvi, protože tělo má akutní potíže přizpůsobit se nízkému parciálnímu tlaku kyslíku. V závažných případech může AMS způsobit otok plic nebo mozku. Mezi příznaky AMS patří nevolnost, zvracení, únava, závratě, ospalost, pocit dezorientace, zvýšený puls a krvácení z nosu. Jedinou léčbou AMS je sestup do nižší nadmořské výšky; farmakologická léčba a doplňkový kyslík však mohou příznaky zlepšit. AMS lze předcházet pomalým výstupem do požadované nadmořské výšky, kdy se tělo aklimatizuje, a také udržováním správné hydratace.

Aklimatizace

Zejména v situacích, kdy výstup probíhá příliš rychle, může cestování do oblastí s vysokou nadmořskou výškou způsobit AMS. Aklimatizace je proces přizpůsobení, který dýchací systém provádí v důsledku chronického vystavení vysoké nadmořské výšce. Po určitou dobu se tělo přizpůsobuje nižšímu parciálnímu tlaku kyslíku. Nízký parciální tlak kyslíku ve vysokých nadmořských výškách má za následek nižší úroveň nasycení hemoglobinu kyslíkem v krvi. Následně je nižší i hladina kyslíku ve tkáních. V důsledku toho jsou ledviny stimulovány k produkci hormonu erytropoetinu (EPO), který stimuluje tvorbu erytrocytů, což má u jedince ve vysoké nadmořské výšce za následek větší počet cirkulujících erytrocytů po delší dobu. Díky většímu počtu červených krvinek je k dispozici více hemoglobinu, který pomáhá přenášet dostupný kyslík. I když je nasycení jednotlivých molekul hemoglobinu nízké, bude v krvi přítomno více hemoglobinu, a tedy i více kyslíku. Postupem času to člověku umožní účastnit se fyzické námahy, aniž by se u něj rozvinul AMS.

Přehled kapitol

Dýchací centra v mozku za normálních okolností udržují konzistentní, rytmický dechový cyklus. V určitých případech se však dýchací systém musí přizpůsobit situačním změnám, aby mohl tělo zásobovat dostatečným množstvím kyslíku. Například cvičení vede ke zvýšené ventilaci a chronické vystavení vysoké nadmořské výšce má za následek větší počet cirkulujících erytrocytů. Hyperpnoe, tedy zvýšení rychlosti a hloubky ventilace, je zřejmě funkcí tří nervových mechanismů, které zahrnují psychologický podnět, aktivaci motorických neuronů kosterních svalů a aktivaci proprioceptorů ve svalech, kloubech a šlachách. Výsledkem je, že hyperpnoe související s cvičením je iniciována při zahájení cvičení, na rozdíl od okamžiku, kdy se skutečně zvýší potřeba kyslíku ve tkáních.

Naproti tomu akutní vystavení vysoké nadmořské výšce, zejména v době fyzické námahy, skutečně vede k nízké hladině kyslíku v krvi a tkáních. Tato změna je způsobena nízkým parciálním tlakem kyslíku ve vzduchu, protože atmosférický tlak ve vysokých nadmořských výškách je nižší než atmosférický tlak na úrovni moře. To může vést ke stavu zvanému akutní horská nemoc (AMS), jehož příznaky zahrnují bolesti hlavy, dezorientaci, únavu, nevolnost a závratě. Během dlouhé doby se tělo člověka přizpůsobí vysoké nadmořské výšce, což je proces nazývaný aklimatizace. Během aklimatizace způsobí nízká hladina kyslíku v tkáních, že ledviny začnou produkovat větší množství hormonu erytropoetinu, který stimuluje tvorbu erytrocytů. Zvýšená hladina cirkulujících erytrocytů zajišťuje zvýšené množství hemoglobinu, který pomáhá zásobovat jedince větším množstvím kyslíku a předcházet tak příznakům AMS.

Samokontrola

Odpovězte na níže uvedené otázky, abyste zjistili, jak dobře rozumíte tématům probíraným v předchozí části.

Glosář

akutní horská nemoc (AMS): stav, který vzniká v důsledku akutního vystavení vysoké nadmořské výšce v důsledku nízkého parciálního tlaku kyslíku

aklimatizace: proces přizpůsobení, který provádí dýchací systém v důsledku chronického vystavení vysoké nadmořské výšce

hyperpnoe: zvýšená rychlost a hloubka ventilace v důsledku zvýšené potřeby kyslíku, která významně nemění hladinu kyslíku nebo oxidu uhličitého v krvi

hyperventilace: zvýšená rychlost ventilace, která vede k abnormálně nízké hladině oxidu uhličitého v krvi a vysokému (zásaditému) pH krve