Anatomia ja fysiologia II

Levossa, hengityselimistö suorittaa toimintojaan tasaisella, rytmikkäällä tahdilla, jota aivojen hengityskeskukset säätelevät. Tällä tahdilla ilmanvaihto tuottaa riittävästi happea kaikille kehon kudoksille. On kuitenkin tilanteita, jolloin hengityselimistön on muutettava toimintojensa tahtia vastatakseen elimistön hapentarpeeseen.

Hyperpnea

Hyperpnea on lisääntynyttä ventilaation syvyyttä ja nopeutta, jolla vastataan lisääntyneeseen hapentarpeeseen, jollainen voi ilmetä rasituksessa tai sairaudessa, erityisesti sairauksissa, jotka kohdistuvat hengityselimiin tai ruoansulatuskanaviin. Tämä ei muuta merkittävästi veren happi- tai hiilidioksidipitoisuuksia, vaan ainoastaan lisää ventilaation syvyyttä ja nopeutta solujen tarpeeseen vastaamiseksi. Sitä vastoin hyperventilaatio on lisääntynyttä ventilaationopeutta, joka on riippumaton solujen hapentarpeesta ja johtaa epänormaalin alhaisiin veren hiilidioksidipitoisuuksiin ja korkeaan (emäksiseen) veren pH-arvoon.

Kiinnostavaa on, että liikunta ei aiheuta hyperpneaa, kuten voisi luulla. Lihakset, jotka tekevät työtä liikunnan aikana, lisäävät kyllä hapentarvetta, mikä stimuloi ventilaation lisääntymistä. Hyperpnea liikunnan aikana näyttää kuitenkin tapahtuvan ennen kuin happipitoisuuden lasku lihaksissa voi tapahtua. Siksi hyperpnean taustalla on oltava muita mekanismeja, joko happipitoisuuden laskun sijasta tai sen lisäksi. Liikunnan hyperpnean taustalla olevia täsmällisiä mekanismeja ei tunneta hyvin, ja jotkin hypoteesit ovat jossain määrin kiistanalaisia. Alhaisen happipitoisuuden, korkean hiilidioksidipitoisuuden ja alhaisen pH-tason lisäksi näyttää kuitenkin olevan olemassa monimutkainen hermostoon ja aivojen hengityskeskuksiin liittyvien tekijöiden yhteisvaikutus.

Ensiksi tietoinen päätös osallistua liikuntaan tai muuhun fyysiseen rasitukseen aiheuttaa psykologisen ärsykkeen, joka saattaa laukaista aivojen hengityskeskukset lisäämään ventilaatiota. Lisäksi aivojen hengityskeskuksia voidaan stimuloida aktivoimalla motorisia neuroneja, jotka hermottavat fyysiseen aktiivisuuteen osallistuvia lihasryhmiä. Lopuksi fyysinen rasitus stimuloi proprioseptoreita, jotka ovat lihaksissa, nivelissä ja jänteissä sijaitsevia reseptoreita, jotka aistivat liikkeen ja venytyksen; proprioseptorit luovat siten ärsykkeen, joka voi myös käynnistää aivojen hengityskeskukset. Nämä neuraaliset tekijät ovat sopusoinnussa ilmanvaihdon äkillisen lisääntymisen kanssa, joka havaitaan välittömästi liikunnan alkaessa. Koska hengityskeskuksia stimuloivat psykologiset, motoneuroni- ja proprioseptoritulot koko harjoituksen ajan, se, että myös ventilaatio vähenee äkillisesti heti harjoituksen päätyttyä, kun nämä neuraaliset ärsykkeet loppuvat, tukee entisestään ajatusta siitä, että ne osallistuvat ventilaatiomuutosten laukaisemiseen.

Korkeusvaikutukset

Korkeuden nousu johtaa ilmanpaineen laskuun. Vaikka hapen osuus suhteessa ilmakehän kaasuihin pysyy 21 prosentissa, sen osapaine laskee (ks. taulukko 1). Tämän seurauksena elimistön on vaikeampi saavuttaa sama happisaturaatiotaso korkealla kuin matalalla ilmakehän paineen laskun vuoksi. Itse asiassa hemoglobiinikyllästeisyys on alhaisempi suurilla korkeuksilla verrattuna hemoglobiinikyllästeisyyteen merenpinnan tasolla. Esimerkiksi hemoglobiinikyllästeisyys on noin 67 prosenttia 19 000 jalan korkeudessa merenpinnan yläpuolella, kun se merenpinnan tasolla on noin 98 prosenttia.

Taulukko 1. Hemoglobiinikyllästeisyys. Hapen osapaine eri korkeuksilla
Esimerkkipaikka	Korkeus (jalkaa merenpinnan yläpuolella)	Atmosfäärin paine (mm Hg)	Hapen osapaine (mm Hg)
New York City, New York	0	760	159
Boulder, Colorado	5000	632	133
Aspen, Colorado	8000	565	118
Pike’s Peak, Colorado	14000	447	94
Denali (Mt. McKinley), Alaska	20,000	350	73
Mt. Everest, Tiibet	29 000	260	54

Kuten muistat, osapaine on äärimmäisen tärkeä määritettäessä sitä, kuinka paljon kaasua pääsee hengityskalvon läpi ja keuhkokapillaarien vereen. Alhaisempi hapen osapaine tarkoittaa, että alveolien ja veren välinen osapaine-ero on pienempi, joten vähemmän happea kulkee hengityskalvon läpi. Tämän seurauksena hemoglobiini sitoo vähemmän happimolekyylejä. Tästä huolimatta elimistön kudokset saavat silti riittävän määrän happea levossa suurissa korkeuksissa. Tämä johtuu kahdesta tärkeästä mekanismista. Ensinnäkin verestä kudoksiin kulkeutuvien happimolekyylien määrä on lähes sama merenpinnan tasolla ja korkealla. Merenpinnan tasolla hemoglobiinikyllästeisyys on korkeampi, mutta kudokseen vapautuu todellisuudessa vain neljännes happimolekyyleistä. Suurilla korkeuksilla kudoksiin vapautuu suurempi osa happimolekyyleistä. Toiseksi korkeilla paikoilla erytrosyytit tuottavat enemmän BPG:tä, mikä tehostaa hapen irtoamista hemoglobiinista. Fyysinen rasitus, kuten hiihto tai vaellus, voi johtaa korkeuspahoinvointiin, koska veren happivarastojen määrä on pieni korkeilla paikoilla. Merenpinnan tasolla laskimoveressä on suuri määrä happivarastoa (vaikka laskimoverta pidetäänkin ”hapettomana”), josta lihakset voivat ottaa happea fyysisen rasituksen aikana. Koska happikyllästeisyys on paljon alhaisempi korkeammilla paikoilla, tämä laskimoveren happireservi on pieni, mikä johtaa veren alhaisen happipitoisuuden aiheuttamiin patologisiin oireisiin. Olet ehkä kuullut, että on tärkeää juoda enemmän vettä, kun matkustat korkeammalla kuin mihin olet tottunut. Tämä johtuu siitä, että elimistösi lisää virtsaneritystä (virtsaamista) korkeilla paikoilla vastapainoksi alhaisemmille happipitoisuuksille. Poistamalla nesteitä veriplasman pitoisuudet laskevat, mutta eivät erytrosyyttien kokonaismäärää. Näin erytrosyyttien kokonaispitoisuus veressä kasvaa, mikä auttaa kudoksia saamaan tarvitsemaansa happea.

Akuutti vuoristosairaus (AMS) eli korkeuspahoinvointi on tila, joka aiheutuu akuutista altistumisesta suurille korkeuksille johtuen hapen matalasta osapaineesta suurissa korkeuksissa. AMS voi tyypillisesti esiintyä 2400 metrin (8000 jalan) korkeudessa merenpinnasta. AMS on seurausta veren alhaisesta happipitoisuudesta, koska elimistöllä on akuutteja vaikeuksia sopeutua matalaan hapen osapaineeseen. Vakavissa tapauksissa AMS voi aiheuttaa keuhko- tai aivoturvotusta. AMS:n oireita ovat pahoinvointi, oksentelu, väsymys, huimaus, uneliaisuus, hajamielisyys, kohonnut pulssi ja nenäverenvuoto. AMS:n ainoa hoito on laskeutuminen matalammalle; lääkehoidot ja lisähappi voivat kuitenkin parantaa oireita. AMS:ää voidaan ehkäistä nousemalla hitaasti haluttuun korkeuteen, antamalla elimistön akklimatisoitua sekä ylläpitämällä asianmukaista nesteytystä.

Aklimatisoituminen

Erityisesti tilanteissa, joissa nousu tapahtuu liian nopeasti, matkustaminen korkealla sijaitseville alueille voi aiheuttaa AMS:ää. Akklimatisaatio on sopeutumisprosessi, jonka hengityselimistö tekee kroonisen korkealle altistumisen vuoksi. Ajan kuluessa elimistö sopeutuu alhaisempaan hapen osapaineeseen. Alhainen hapen osapaine korkeilla paikoilla johtaa veren hemoglobiinin alhaisempaan happikyllästeisyyteen. Myös kudosten happipitoisuus on alhaisempi. Tämän seurauksena munuaiset stimuloituvat tuottamaan erytropoietiinihormonia (EPO), joka stimuloi erytrosyyttien tuotantoa, mikä johtaa siihen, että verenkierrossa olevien erytrosyyttien määrä lisääntyy yksilössä, joka on korkealla korkealla pitkän ajanjakson ajan. Kun punasoluja on enemmän, on enemmän hemoglobiinia, joka auttaa kuljettamaan saatavilla olevaa happea. Vaikka jokaisen hemoglobiinimolekyylin kyllästysaste on alhainen, hemoglobiinia on enemmän ja siten enemmän happea veressä. Ajan myötä tämä mahdollistaa sen, että henkilö voi osallistua fyysiseen rasitukseen ilman, että hänelle kehittyy AMS.

Luvun tarkastelu

Normaalisti aivojen hengityskeskukset ylläpitävät johdonmukaista, rytmikästä hengityssykliä. Tietyissä tapauksissa hengityselimistön on kuitenkin sopeuduttava tilannekohtaisiin muutoksiin, jotta keho saisi riittävästi happea. Esimerkiksi liikunta johtaa lisääntyneeseen ilmanvaihtoon, ja krooninen altistuminen suurelle korkeudelle johtaa suurempaan kiertävien erytrosyyttien määrään. Hyperpnea, ventilaation nopeuden ja syvyyden lisääntyminen, näyttää olevan seurausta kolmesta hermomekanismista, joihin kuuluvat psykologinen ärsyke, luurankolihasten motoneuronien aktivoituminen ja lihasten, nivelten ja jänteiden proprioseptorien aktivoituminen. Tämän seurauksena liikuntaan liittyvä hyperpnea käynnistyy, kun liikunta alkaa, eikä niinkään silloin, kun kudosten hapentarve todella lisääntyy.

Sen sijaan akuutti altistuminen suurelle korkeudelle, erityisesti fyysisen rasituksen aikana, johtaa veren ja kudosten alhaisiin happipitoisuuksiin. Tämä muutos johtuu ilman alhaisesta hapen osapaineesta, koska ilmakehän paine korkeilla paikoilla on alhaisempi kuin ilmakehän paine merenpinnan tasolla. Tämä voi johtaa akuutiksi vuoristotaudiksi (AMS) kutsuttuun tilaan, jonka oireita ovat päänsärky, sekavuus, väsymys, pahoinvointi ja huimaus. Pitkän ajan kuluessa ihmisen elimistö sopeutuu suureen korkeuteen, ja tätä prosessia kutsutaan akklimatisaatioksi. Akklimatisaation aikana kudosten alhainen happipitoisuus saa munuaiset tuottamaan suurempia määriä erytropoietiinihormonia, joka stimuloi erytrosyyttien tuotantoa. Lisääntyneet verenkierrossa olevien erytrosyyttien määrät tuottavat suuremman määrän hemoglobiinia, joka auttaa toimittamaan yksilölle enemmän happea, mikä ehkäisee AMS:n oireita.

Self Check

Vastaamalla alla oleviin kysymyksiin näet, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä osiossa käsitellyt aiheet.

Sanasto

akuutti vuoristotauti (AMS): tila, joka on seurausta akuutista altistumisesta suurelle korkeudelle alhaisen hapen osapaineen vuoksi

aklimatisoituminen: sopeutumisprosessi, jonka hengityselimistö tekee kroonisen altistumisen vuoksi suurelle korkeudelle

hyperpnea: lisääntynyt ventilaationopeus ja -syvyys, joka johtuu hapentarpeen lisääntymisestä, joka ei muuta merkittävästi veren happi- tai hiilidioksidipitoisuuksia

hyperventilaatio: lisääntynyt ventilaationopeus, joka johtaa epätavallisen alhaisiin veren hiilidioksidipitoisuuksiin ja korkeaan (emäksiseen) veren pH-arvoon

.