Anatomy and Physiology II

W spoczynku, układ oddechowy wykonuje swoje funkcje w stałym, rytmicznym tempie, regulowanym przez ośrodki oddechowe w mózgu. W tym tempie, wentylacja dostarcza wystarczającą ilość tlenu do wszystkich tkanek organizmu. Zdarzają się jednak sytuacje, w których układ oddechowy musi zmienić tempo swoich funkcji, aby zaspokoić zapotrzebowanie organizmu na tlen.

Naddech

Naddech to zwiększona głębokość i szybkość wentylacji w celu zaspokojenia zwiększonego zapotrzebowania na tlen, co można zaobserwować podczas wysiłku fizycznego lub choroby, zwłaszcza chorób, które dotyczą układu oddechowego lub pokarmowego. To nie zmienia znacząco poziom tlenu lub dwutlenku węgla we krwi, ale tylko zwiększa głębokość i szybkość wentylacji w celu zaspokojenia popytu komórek. W przeciwieństwie do tego, hiperwentylacja jest zwiększona szybkość wentylacji, która jest niezależna od komórkowych potrzeb tlenu i prowadzi do nieprawidłowo niskiego poziomu dwutlenku węgla we krwi i wysokiego (alkalicznego) pH krwi.

Interesujące jest to, że ćwiczenia nie powodują hiperpnea, jak można by pomyśleć. Mięśnie, które wykonują pracę podczas ćwiczeń, zwiększają swoje zapotrzebowanie na tlen, stymulując wzrost wentylacji. Jednakże, hiperpnea podczas ćwiczeń wydaje się występować przed spadkiem poziomu tlenu w mięśniach może wystąpić. Dlatego też hiperpnea musi być napędzana przez inne mechanizmy, albo zamiast lub dodatkowo do spadku poziomu tlenu. Dokładne mechanizmy odpowiedzialne za hiperpneę wysiłkową nie są dobrze poznane, a niektóre hipotezy są nieco kontrowersyjne. Jednak oprócz niskiego poziomu tlenu, wysokiego poziomu dwutlenku węgla i niskiego poziomu pH, wydaje się, że istnieje złożona interakcja czynników związanych z układem nerwowym i ośrodkami oddechowymi w mózgu.

Po pierwsze, świadoma decyzja o podjęciu ćwiczeń lub innej formy wysiłku fizycznego powoduje bodziec psychologiczny, który może pobudzić ośrodki oddechowe w mózgu do zwiększenia wentylacji. Ponadto ośrodki oddechowe mózgu mogą być stymulowane przez aktywację neuronów ruchowych, które unerwiają grupy mięśni zaangażowane w aktywność fizyczną. Wreszcie, wysiłek fizyczny stymuluje proprioceptory, czyli receptory zlokalizowane w mięśniach, stawach i ścięgnach, które wyczuwają ruch i rozciąganie; proprioceptory tworzą zatem bodziec, który może również pobudzić ośrodki oddechowe mózgu. Te czynniki neuronalne są spójne z nagłym wzrostem wentylacji, który jest obserwowany natychmiast po rozpoczęciu ćwiczeń. Ponieważ ośrodki oddechowe są stymulowane przez wejścia psychologiczne, neurony motoryczne i proprioceptory podczas całego ćwiczenia, fakt, że występuje również nagły spadek wentylacji natychmiast po zakończeniu ćwiczenia, kiedy te neuronalne bodźce ustają, dodatkowo wspiera ideę, że są one zaangażowane w wyzwalanie zmian wentylacji.

Wysokie efekty wysokościowe

Zwiększenie wysokości powoduje spadek ciśnienia atmosferycznego. Chociaż udział tlenu w stosunku do gazów w atmosferze pozostaje na poziomie 21 procent, jego ciśnienie parcjalne maleje (patrz tabela 1). W rezultacie, z powodu niższego ciśnienia atmosferycznego, organizmowi trudniej jest osiągnąć ten sam poziom nasycenia tlenem na dużej wysokości niż na małej. W rzeczywistości, nasycenie hemoglobiny jest niższe na dużych wysokościach w porównaniu do nasycenia hemoglobiny na poziomie morza. Na przykład, nasycenie hemoglobiny wynosi około 67 procent na wysokości 19 000 stóp nad poziomem morza, podczas gdy osiąga około 98 procent na poziomie morza.

Tabela 1. Partial Pressure of Oxygen at Different Altitudes
Przykładowa lokalizacja	Wysokość (stopy nad poziomem morza)	Ciśnienie atmosferyczne (mm Hg)	Ciśnienie parcjalne tlenu (mm Hg)
Nowy Jork, Nowy Jork	0	760	159
Boulder, Colorado	5000	632	133
Aspen, Colorado	8000	565	118
Pike’s Peak, Kolorado	14,000	447	94
Denali (Mt. McKinley), Alaska	20,000	350	73
Mt. Everest, Tybet	29,000	260	54

Jak pamiętacie, ciśnienie parcjalne jest niezwykle ważne w określaniu ilości gazu, która może przekroczyć błonę oddechową i dostać się do krwi w kapilarach płucnych. Niższe ciśnienie parcjalne tlenu oznacza, że istnieje mniejsza różnica ciśnień parcjalnych między pęcherzykami płucnymi a krwią, więc mniej tlenu przekracza błonę oddechową. W związku z tym mniej cząsteczek tlenu jest wiązanych przez hemoglobinę. Pomimo tego, tkanki organizmu podczas odpoczynku na dużych wysokościach nadal otrzymują wystarczającą ilość tlenu. Wynika to z dwóch głównych mechanizmów. Po pierwsze, liczba cząsteczek tlenu, które dostają się do tkanek z krwi jest prawie taka sama na poziomie morza i na dużych wysokościach. Na poziomie morza, nasycenie hemoglobiny jest wyższe, ale tylko jedna czwarta cząsteczek tlenu jest faktycznie uwalniana do tkanek. Na dużych wysokościach, większa część cząsteczek tlenu jest uwalniana do tkanek. Po drugie, na dużych wysokościach erytrocyty produkują większą ilość BPG, co zwiększa dysocjację tlenu od hemoglobiny. Wysiłek fizyczny, taki jak jazda na nartach lub wędrówki piesze, może prowadzić do choroby wysokościowej ze względu na niską ilość rezerw tlenu we krwi na dużych wysokościach. Na poziomie morza, we krwi żylnej znajduje się duża ilość rezerw tlenu (nawet jeśli krew żylna jest uważana za „odtlenioną”), z których mięśnie mogą czerpać podczas wysiłku fizycznego. Ponieważ nasycenie tlenem jest znacznie niższe na większych wysokościach, rezerwa żylna jest niewielka, co powoduje patologiczne objawy niskiego poziomu tlenu we krwi. Być może słyszałeś, że ważne jest, aby pić więcej wody podczas podróży na większych wysokościach niż te, do których jesteś przyzwyczajony. Dzieje się tak dlatego, że organizm zwiększa mikcję (oddawanie moczu) na dużych wysokościach, aby przeciwdziałać skutkom niższego poziomu tlenu. Poprzez usuwanie płynów, poziom osocza krwi spada, ale nie całkowita liczba erytrocytów. W ten sposób ogólne stężenie erytrocytów we krwi wzrasta, co pomaga tkankom uzyskać tlen, którego potrzebują.

Ostra choroba górska (AMS), lub choroba wysokościowa, jest stanem, który wynika z ostrej ekspozycji na dużych wysokościach z powodu niskiego ciśnienia parcjalnego tlenu na dużych wysokościach. AMS zazwyczaj może wystąpić na wysokości 2400 metrów (8000 stóp) nad poziomem morza. AMS jest wynikiem niskiego poziomu tlenu we krwi, ponieważ organizm ma ostre trudności z dostosowaniem się do niskiego ciśnienia parcjalnego tlenu. W poważnych przypadkach, AMS może spowodować obrzęk płuc lub mózgu. Objawy AMS obejmują nudności, wymioty, zmęczenie, światłowstręt, senność, uczucie dezorientacji, podwyższony puls i krwawienia z nosa. Jedynym sposobem leczenia AMS jest zejście na niższą wysokość, jednak leczenie farmakologiczne i uzupełnianie tlenu może poprawić objawy. AMS można zapobiec poprzez powolne wznoszenie się na pożądaną wysokość, pozwalając organizmowi na aklimatyzację, jak również utrzymując odpowiednie nawodnienie.

Aklimatyzacja

Szczególnie w sytuacjach, w których wznoszenie następuje zbyt szybko, podróżowanie do obszarów o dużej wysokości może powodować AMS. Aklimatyzacja jest procesem dostosowania, który układ oddechowy wykonuje z powodu chronicznego narażenia na dużą wysokość. Przez pewien okres czasu organizm dostosowuje się do niższego ciśnienia parcjalnego tlenu. Niskie ciśnienie parcjalne tlenu na dużych wysokościach powoduje niższy poziom nasycenia hemoglobiny tlenem we krwi. Z kolei poziom tlenu w tkankach jest również niższy. W rezultacie nerki są pobudzane do produkcji hormonu erytropoetyny (EPO), który stymuluje produkcję erytrocytów, co skutkuje większą liczbą krążących erytrocytów u osoby przebywającej na dużej wysokości przez dłuższy czas. Przy większej ilości czerwonych krwinek, jest więcej hemoglobiny, która pomaga w transporcie dostępnego tlenu. Nawet jeśli nasycenie każdej cząsteczki hemoglobiny jest niskie, we krwi znajduje się więcej hemoglobiny, a więc i więcej tlenu. Z czasem pozwala to osobie brać udział w wysiłku fizycznym bez rozwoju AMS.

Przegląd rozdziału

Normalnie, ośrodki oddechowe mózgu utrzymują spójny, rytmiczny cykl oddechowy. Jednak w niektórych przypadkach układ oddechowy musi dostosować się do zmian sytuacyjnych, aby dostarczyć organizmowi wystarczającą ilość tlenu. Na przykład, wysiłek fizyczny powoduje zwiększenie wentylacji, a przewlekła ekspozycja na dużej wysokości powoduje zwiększenie liczby krążących erytrocytów. Hiperpnea, wzrost szybkości i głębokości wentylacji, wydaje się być funkcją trzech mechanizmów neuronalnych, które obejmują bodziec psychologiczny, aktywację neuronów ruchowych mięśni szkieletowych oraz aktywację proprioceptorów w mięśniach, stawach i ścięgnach. W rezultacie hiperpnea związana z wysiłkiem fizycznym jest inicjowana, gdy rozpoczyna się ćwiczenie, w przeciwieństwie do sytuacji, gdy zapotrzebowanie tkanek na tlen rzeczywiście wzrasta.

W przeciwieństwie do tego, ostra ekspozycja na dużą wysokość, szczególnie w czasie wysiłku fizycznego, powoduje niski poziom tlenu we krwi i tkankach. Zmiana ta jest spowodowana niskim ciśnieniem parcjalnym tlenu w powietrzu, ponieważ ciśnienie atmosferyczne na dużych wysokościach jest niższe niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza. Może to prowadzić do stanu zwanego ostrą chorobą górską (AMS) z objawami, które obejmują bóle głowy, dezorientację, zmęczenie, nudności i światłowstręt. Przez długi okres czasu organizm człowieka dostosowuje się do dużej wysokości, proces ten nazywany jest aklimatyzacją. Podczas aklimatyzacji, niski poziom tlenu w tkankach spowoduje, że nerki będą produkować większe ilości hormonu erytropoetyny, który stymuluje produkcję erytrocytów. Zwiększony poziom krążących erytrocytów zapewnia zwiększoną ilość hemoglobiny, która pomaga dostarczyć osobie więcej tlenu, zapobiegając objawom AMS.

Self Check

Odpowiedz na poniższe pytanie(a), aby sprawdzić, jak dobrze rozumiesz tematy poruszone w poprzedniej sekcji.