Frontiers in Physiology

Úvod

Měl jsem to štěstí zúčastnit se dvou velkých fyziologických výzkumných expedic do extrémních nadmořských výšek. První byla expedice Silver Hut v letech 1960-1961, během níž skupina fyziologů strávila několik měsíců ve velmi vysoké nadmořské výšce 5 800 m a měřili jsme fyziologické změny, ke kterým během této dlouhé doby došlo. Další studie byly prováděny až do výšky 7 830 m (25 700 stop). Celkovým cílem bylo zjistit mechanismy, kterými lidé, kteří normálně žijí blízko hladiny moře, reagují na silnou hypoxii po delší dobu.

Druhou expedicí byla americká lékařská výzkumná expedice na Everest, která se uskutečnila v roce 1981. Zde byl fyziologický cíl zcela odlišný. Cílem bylo získat první fyziologické údaje o člověku na vrcholu Mount Everestu (8 848 m, 29 028 stop), aby se objasnilo, jak mohou lidé, kteří běžně žijí na úrovni hladiny moře, přežít extrémní hypoxii na nejvyšším bodě světa.

Expedice Stříbrná chata

Tato expedice byla dílem sira Edmunda Hillaryho, který spolu s Tenzingem Norgayem dosáhl jako první člověk vrcholu Mount Everestu o sedm let dříve. Hillary na tomto prvovýstupu na Everest spolupracoval s Griffithem Pughem, vysokohorským fyziologem, a oba muži se intenzivně zajímali o proces aklimatizace, který umožňuje lidem z míst blízko hladiny moře vystoupit do velmi vysokých nadmořských výšek.

Můj zvláštní zájem se týkal difuzní kapacity plic. Barcroft (1925) předpokládal, že cvičení ve vysoké nadmořské výšce povede k arteriální hypoxemii v důsledku omezení difuze přes krevně-plynovou bariéru. Abychom to ověřili, zařídili jsme, aby členové expedice pracovali na bicyklovém ergometru s maximálním výkonem, a měřili jsme arteriální saturaci kyslíkem pomocí nově dostupného ušního oxymetru (West et al., 1962). Zjistili jsme, že při zvyšování pracovní zátěže skutečně docházelo k výraznému poklesu arteriální saturace kyslíkem, a to navzdory nárůstu alveolárního PO2. To byl silný důkaz omezení difuze za těchto podmínek těžké hypoxie. Duplicitní měření na sobě samém ukázala saturaci kyslíkem pouze 33 % při maximálním výkonu, což odráželo velmi silnou hypoxemii.

Měřili jsme také difuzní kapacitu pro oxid uhelnatý v průběhu expedice a ukázalo se, že se téměř nezměnila (West, 1962). Malý nárůst lze vysvětlit polycytemií, která se rozvinula. Z toho vyplynulo, že vlastnosti krevní plynové bariéry se dlouhodobým vystavením těžké hypoxii nezměnily. Jednalo se o první jasný důkaz difuzního omezení přenosu kyslíku plícemi během těžké zátěže ve velmi vysoké nadmořské výšce.

Později během expedice byla provedena měření maximálního příjmu kyslíku během zátěže v extrémně vysoké nadmořské výšce 7 440 m (24 400 stop) (Pugh et al., 1964). Extrapolace těchto údajů na nadmořskou výšku vrcholu Everestu naznačovala, že vrcholu by nebylo možné dosáhnout bez doplňkového kyslíku. Krevní studie prokázaly výraznou polycytemii u osob žijících ve výšce 5 800 m. Průměrná koncentrace hemoglobinu byla 19,6 g/dl a hematokritu 55,8 %. Bylo prokázáno, že počáteční zvýšení hematokritu bylo způsobeno především ztrátou objemu plazmy, ale později došlo k velkému nárůstu hmotnosti červených krvinek. Elektrokardiogram osob žijících ve výšce 5 800 m vykazoval výraznou hypertrofii pravé komory a v některých trasách se vyskytovala inverze vln T v hrudních svodech, což pravděpodobně svědčilo o těžké hypoxii myokardu (Milledge, 1963). Měření neuropsychometrických funkcí bylo provedeno pomocí třídění karet a bylo zjištěno, že rychlost třídění byla snížena, ale že při zvýšené koncentraci dokázaly subjekty třídit bez chyb. U všech členů expedice došlo během pobytu ve výšce 5 800 m k silnému a neustálému úbytku hmotnosti, který se pohyboval mezi 0,5 a 1,5 kg/týden. Obecný dojem byl, že není možné, aby lidé žili v této velmi vysoké nadmořské výšce donekonečna (Pugh, 1962).

Americká lékařská výzkumná expedice na Everest

Jak bylo uvedeno výše, cílem této expedice bylo objasnit, jak mohou lidé snášet hypoxii v nejvyšší nadmořské výšce na světě. Pozoruhodné je, že několik měsíců před uskutečněním expedice dosáhli dva evropští horolezci poprvé vrcholu Mount Everestu bez použití přídavného kyslíku. Tento výkon ohromil mnoho fyziologů a vyvolal mnoho otázek, jak je to možné.

Výzkumný program byl velmi rozsáhlý a lze zde uvést pouze jeho stručný přehled. Měření byla prováděna v základním táboře ve výšce 5 400 m (17 700 stop), v předsunutém základním táboře ve výšce 6 300 m (20 700 stop) a v nejvyšším táboře ve výšce 8 050 m (26 400 stop). Doufali jsme také, že se nám podaří provést některá měření na vrcholu Everestu, i když to bylo velmi ambiciózní. Když jsme se totiž ohlédli za šesti expedicemi, které předcházely té naší, ani jedna z nich vrcholu nedosáhla. Pokud je špatné počasí, zapomeňte na to, a rozhodujícím faktorem je, zda dostatečný počet členů expedice zůstane navzdory extrémní nadmořské výšce dostatečně fit.

V základním táboře jsme měřili ventilační odezvu na hypoxii, tedy míru, do jaké se zvyšuje dýchání, když je subjekt vystaven nízkému množství vdechované směsi kyslíku. Výsledky byly zarážející. Ukázalo se, že horolezec, který se dostal na vrchol jako první, měl nejvyšší odezvu, ten, který se dostal na vrchol jako druhý, měl další nejvyšší odezvu a horolezec, který se dostal na vrchol jako třetí, měl třetí nejvyšší odezvu (Schoene et al., 1984). Částečně to musela být náhoda, ale rozhodně to naznačovalo, že existuje souvislost mezi tím, do jaké míry horolezci zvyšují svou ventilaci, a jejich tolerancí k extrémní nadmořské výšce. Důvod tohoto tvrzení bude jasnější níže.

V pokročilém základním táboře bylo provedeno velké množství studií, ale zde bude shrnuta pouze jedna, neuropsychometrická studie. Je dobře známo, že mozek a centrální nervový systém jsou velmi citlivé na hypoxii. Například pokud někdo spadne do bazénu a je zachráněn o 5 nebo 10 minut později, může být úspěšně oživen, ale centrální nervový systém se nikdy zcela nezotaví. Nebylo proto překvapivé, že jsme mohli prokázat změny v měřeních, jako je krátkodobá paměť a manipulační dovednosti (zjištěné na základě testu poklepávání prstem) ve velmi vysokých nadmořských výškách. To nebylo neočekávané. Když se však expedice vrátila na úroveň blízkou hladině moře, zjistilo se, že dvě z těchto měření zůstala abnormální. Jednalo se o krátkodobou paměť a test poklepávání prstem (Townes et al., 1984). Bylo tedy jasné, že každý, kdo se vrátí z těchto extrémních nadmořských výšek, bude mít pravděpodobně určité zbytkové poruchy centrálního nervového systému. Byli jsme jednou z prvních skupin, která to prokázala, ale od té doby se to mnohokrát potvrdilo.

Mezi nejzajímavější nálezy patřily ty z vrcholu. Navrhli jsme a sestrojili speciální zařízení, které umožnilo horolezci odebrat poslední vydechnutý plyn po maximálním výdechu, tedy vzorek alveolárního plynu. Více než 34 vzorků včetně čtyř z vrcholu bylo přivezeno zpět na Kalifornskou univerzitu v San Diegu v plynotěsných nádobách. Když byl alveolární PCO2 vynesen do grafu v závislosti na barometrickém tlaku, který s rostoucí nadmořskou výškou klesal, zjistilo se, že PCO2 na vrcholu byl 7-8 mm Hg. To byla téměř neuvěřitelně nízká hodnota, protože u hladiny moře se pohybuje kolem 40 mm Hg. Tato extrémně nízká hodnota zdůrazňuje obrovský nárůst alveolární ventilace, který je v těchto extrémních nadmořských výškách nutný (West et al., 1983).

Pokud byly alveolární PO2 i PCO2 vyneseny do grafu v závislosti na barometrickém tlaku, vznikl zajímavý obrázek (obrázek 1). Jak PO2, tak PCO2 klesaly s rostoucí nadmořskou výškou. K poklesu PO2 došlo v důsledku snížení množství vzduchu v okolí horolezce v důsledku snížení barometrického tlaku. Pokles PCO2 byl způsoben pouze hyperventilací horolezce. Ukázalo se, že když nadmořská výška přesáhla přibližně 7000 m, k dalšímu poklesu alveolárního PO2 již nedošlo. Z obrázku je patrné, že se brání na úrovni asi 35 mm Hg. Jinými slovy, abyste přežili v těchto obrovských výškách, musíte nasadit alveolární ventilaci, která sníží PCO2 na přibližně 8 mmHg, a tím zachová alveolární PO2 na velmi nízké, ale životaschopné úrovni přibližně 35 mm Hg. To vysvětluje, proč při dříve uvedených měřeních ventilační odezvy na hypoxii existovala korelace mezi velikostí odezvy a tolerancí horolezce vůči extrémní nadmořské výšce. Pokud nejste schopni nasadit takový stupeň hyperventilace, který by stačil ke snížení alveolárního PCO2 na přibližně 7-8 mm Hg, nemůžete udržet životaschopnou úroveň PO2 v alveolárním plynu. Extrémní hyperventilace je tedy jedním z nejdůležitějších rysů fyziologické reakce na extrémně vysokou nadmořskou výšku.

Obrázek 1. Hodnoty PO2 a PCO2 v alveolárním plynu horolezců při výstupu z hladiny moře (vpravo nahoře) na vrchol Everestu (vlevo dole). PO2 klesá v důsledku snížení barometrického tlaku. PCO2 klesá v důsledku zvyšující se alveolární ventilace. Nad nadmořskou výškou odpovídající PCO2 asi 20 mm Hg (asi 7000 m) již k dalšímu poklesu PO2 nedochází. Jinými slovy, ten se brání přibližně při 35 mmHg. Toho lze dosáhnout pouze tehdy, pokud se PCO2 se stoupající nadmořskou výškou neustále dále snižuje extrémní hyperventilací. Upraveno podle Rahna a Otise (1949) a Westa et al. (1983).

Extrémně nízký alveolární PCO2 vyvolává otázku, co se stalo s arteriálním pH. Lze předpokládat, že arteriální a alveolární PCO2 jsou stejné. Naštěstí si dva z horolezců ráno po úspěšném výstupu na vrchol navzájem odebrali žilní krev, a proto bylo možné změřit hodnoty základního přebytku. Když byly tyto hodnoty dosazeny do Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice, výsledné arteriální pH se pohybovalo v rozmezí 7,7 až 7,8. Na základě těchto hodnot bylo zjištěno, že pH v krvi se pohybuje v rozmezí 7,7 až 7,8. To je extrémní stupeň respirační alkalózy.

Zajímavou otázkou je, proč ledviny nevyloučily bikarbonát, aby se vyvinula metabolická kompenzace této extrémní alkalózy a posunulo se tak pH blíže k normálu. To je obvyklá reakce, pokud je respirační alkalóza vyvolána například hyperventilací, k níž někdy dochází při hysterii. Důvod absence metabolické kompenzace není zcela objasněn, ale jednou z možností je, že tito horolezci byli pravděpodobně silně objemově ochuzeni. To je běžný rys výstupů do vysokých nadmořských výšek a například horolezci, kteří pobývali v předsunutém základním táboře ve výšce 6300 m, vykazovali známky chronického vyčerpání objemu. Jedním z odpovědných faktorů v extrémní nadmořské výšce je pravděpodobně enormní hyperventilace, ale narušena je i žízeň.

Zajímavé jsou fyziologické důsledky těžké alkalózy. Jiné studie ukázaly, že zvýšená afinita hemoglobinu ke kyslíku zvyšuje přežití v hypoxickém prostředí. Před mnoha lety bylo prokázáno, že savci, jako je vikuňa a lama v jihoamerických Andách, mají zvýšenou afinitu ke kyslíku (tj. měli vlevo posunutou disociační křivku kyslíku) ve srovnání se savci žijícími na úrovni moře (Hall, 1937). Stejnou reakci mají tedy i horolezci ve velmi vysokých nadmořských výškách.

Je také pravda, že pokud se podíváme obecně v celé živočišné říši na organismy, které žijí v hypoxickém prostředí, u mnoha z nich se vyvinula zvýšená afinita hemoglobinu ke kyslíku. Jedním z nejlepších příkladů je lidský plod, který má díky rozdílu v aminokyselinové sekvenci hemoglobinu výrazně zvýšenou afinitu ke kyslíku s P50 asi 19 mm Hg ve srovnání s P50 asi 27 u dospělého člověka. Lidský plod má podle měřítek dospělých těžkou hypoxemii s PO2 v sestupné aortě asi 22 mm Hg, což je dokonce méně než u horolezce na vrcholu Everestu. Je vskutku fascinující, že úspěšný horolezec má výhodu zvýšené afinity hemoglobinu ke kyslíku. To napomáhá nakládání kyslíku v plicních kapilárách. Dalo by se namítnout, že to také brání vykládání kyslíku v periferii těla, ale studie ukázaly, že výhoda nakládání v plicích je větší než nevýhoda při vykládání v periferních tkáních.

Zajímavou otázkou je, jaká je maximální spotřeba kyslíku horolezce na vrcholu. Jak již bylo uvedeno, předchozí měření provedená v extrémní nadmořské výšce během expedice Silver Hut naznačovala, že veškerý kyslík, který je na vrcholu k dispozici, bude potřebný k bazální aktualizaci kyslíku, tedy k udržení srdce v chodu a mozku v činnosti. Na vrchol nebylo možné umístit cyklistický ergometr. Vzali jsme však horolezce, kteří byli velmi dobře aklimatizovaní, a nechali je maximálně šlapat ve výšce 6300 m a dýchat přitom 14 % kyslíku. Tím dosáhli stejného inspirovaného PO2 jako na vrcholu. Úroveň spotřeby kyslíku za těchto podmínek byla asi 1 l/min, což je žalostně nízká maximální spotřeba kyslíku a odpovídá tomu, jako by někdo šel pomalu po vrstevnici. Nicméně je zřejmě právě dostatečná k tomu, aby horolezci umožnila dosáhnout vrcholu.

Příspěvky autorů

JW vypracoval rukopis, přečetl a schválil předloženou verzi.

Prohlášení o střetu zájmů

Autor prohlašuje, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

.