Frontiers in Physiology

Introduktion

Jeg har været så heldig at deltage i to store fysiologiske forskningsekspeditioner til ekstreme højder. Den første var Silver Hut-ekspeditionen i 1960-1961, hvor en gruppe fysiologer tilbragte flere måneder i den meget store højde på 5.800 m (19.000 ft), og vi målte de fysiologiske ændringer, der skete i løbet af denne lange periode. Der blev foretaget yderligere undersøgelser op til 7.830 m. (25.700 ft). Det overordnede formål var at bestemme de mekanismer, hvormed mennesker, der normalt lever nær havniveau, reagerer på alvorlig hypoxi over en længere periode.

Den anden ekspedition var den amerikanske medicinske forskningsekspedition til Everest, som fandt sted i 1981. Her var det fysiologiske mål meget anderledes. Målet var at opnå de første menneskelige fysiologiske data på toppen af Mount Everest (8 8 848 m, 29 028 fod) for at klarlægge, hvordan mennesker, der normalt lever på havniveau, kan overleve den ekstreme hypoxi på verdens højeste punkt.

Silver Hut Expedition

Dette var Sir Edmund Hillary, der sammen med Tenzing Norgay var den første person, der syv år forinden nåede toppen af Mount Everest, som hjernebarn. Hillary havde samarbejdet med Griffith Pugh, en højhøjdefysiolog, om denne første bestigning af Everest, og begge mænd var intenst interesserede i den akklimatiseringsproces, der gør det muligt for mennesker fra nær havniveau at bestige meget høje højder.

Min særlige interesse gik på lungernes diffusionskapacitet. Det var blevet foreslået af Barcroft (1925), at motion i stor højde ville resultere i arteriel hypoxæmi på grund af diffusionsbegrænsning over blod-gasbarrieren. For at teste dette arrangerede vi, at ekspeditionsmedlemmerne arbejdede med deres maksimale kapacitet på et cykelergometer, og vi målte den arterielle iltmætning ved hjælp af et nyligt tilgængeligt øreoximeter (West et al., 1962). Vi fandt, at der faktisk var et markant fald i den arterielle iltmætning på trods af stigningen i den alveolære PO2, efterhånden som arbejdsniveauet blev hævet. Dette var et stærkt bevis for diffusionsbegrænsning under disse forhold med alvorlig hypoxi. Dobbelte målinger på mig selv viste en iltmætning på kun 33% ved maksimal anstrengelse, hvilket afspejlede en meget alvorlig hypoxæmi.

Vi målte også diffusionskapaciteten for kulilte i løbet af ekspeditionen og viste, at den næsten ikke ændrede sig (West, 1962). Den lille stigning kunne forklares med den polycytæmi, der udviklede sig. Konklusionen var, at blodgasbarrierens egenskaber ikke blev ændret ved længere tids udsættelse for alvorlig hypoxi. Dette var den første klare påvisning af diffusionsbegrænsning af lungernes iltoverførsel under svær træning i meget stor højde.

Senere på ekspeditionen blev der foretaget målinger af den maksimale iltoptagelse under træning i den ekstremt store højde på 7 440 m (24 400 ft) (Pugh et al., 1964). Ekstrapolering af disse data til højden på Everest-toppen tydede på, at det ville være umuligt at nå toppen uden supplerende ilt. Blodundersøgelser viste markant polycytæmi hos de personer, der levede i 5.800 meters højde. Den gennemsnitlige hæmoglobinkoncentration og hæmatokrit var henholdsvis 19,6 g/dl og 55,8 %. Der var tegn på, at den indledende stigning i hæmatokrit hovedsagelig var forårsaget af tab af plasmavolumen, men senere var der en stor stigning i den røde cellemasse. Elektrokardiogrammet hos personer, der levede i 5.800 m højde, viste markant højre ventrikelhypertrofi, og i nogle tracinger var der inversion af T-bølgerne i brystafledningerne, hvilket formodentlig indikerede alvorlig myokardiehypoxi (Milledge, 1963). Målinger af neuropsykometriske funktioner blev foretaget ved hjælp af kortsortering, og det blev konstateret, at sorteringshastigheden blev nedsat, men at forsøgspersonerne med øget koncentration kunne sortere uden fejl. Der var et alvorligt, uophørligt vægttab hos alle ekspeditionsdeltagerne, mens de levede i 5 800 m højde, og vægttabet var mellem 0,5 og 1,5 kg/uge. Det generelle indtryk var, at det ikke ville være muligt for mennesker at leve på ubestemt tid i denne meget store højde (Pugh, 1962).

American Medical Research Expedition to Everest

Som nævnt ovenfor var formålet med denne ekspedition at afklare, hvordan mennesker kan tåle hypoxi i verdens højeste højde. Et par måneder før ekspeditionen fandt sted, nåede to europæiske bjergbestigere for første gang toppen af Mount Everest for bemærkelsesværdigt nok uden at bruge supplerende ilt. Denne bedrift forbløffede mange fysiologer og rejste mange spørgsmål om, hvordan det kunne lade sig gøre.

Forskningsprogrammet var meget omfattende, og der kan her kun gives et kort resumé. Der blev foretaget målinger i basislejren i 5.400 m højde (17.700 ft) og i den avancerede basislejr i 6.300 m højde (20.700 ft) samt i den højeste lejr i 8.050 m højde (26.400 ft). Vi håbede også at få nogle målinger på Everest-toppen, selv om dette var meget ambitiøst. Når vi så tilbage på de seks ekspeditioner forud for vores egen, nåede ikke en eneste af dem faktisk toppen. Hvis vejret er dårligt, så glem det, og en afgørende faktor er, om tilstrækkeligt mange medlemmer af ekspeditionen forbliver i tilstrækkelig god form på trods af den ekstreme højde.

I basislejren målte vi det respiratoriske respons på hypoxi, dvs. i hvilket omfang vejrtrækningen øges, når forsøgspersonen udsættes for en lavt inspireret iltblanding. Resultaterne var slående. Det viste sig, at den bjergbestiger, der nåede toppen først, havde det højeste respons, den, der nåede toppen som nummer to, havde det næsthøjeste respons, og den bjergbestiger, der nåede toppen som nummer tre, havde det tredjehøjeste respons (Schoene et al., 1984). Dette må til dels være en tilfældighed, men det tyder i hvert fald på, at der er en sammenhæng mellem det omfang, i hvilket bjergbestigere øger deres ventilation, og deres tolerance over for ekstrem højde. Årsagen hertil vil blive tydeligere nedenfor.

Der blev gennemført en lang række undersøgelser i den avancerede basislejr, men kun en enkelt, en neuropsykometrisk undersøgelse, vil blive opsummeret her. Det er velkendt, at hjernen og centralnervesystemet er meget følsomme over for hypoxi. Hvis en person f.eks. falder ned i en swimmingpool og bliver reddet 5 eller 10 minutter senere, kan det lykkes at genoplive ham, men centralnervesystemet kommer aldrig helt til hægterne igen. Det var derfor ikke overraskende, at vi kunne påvise ændringer i målinger som f.eks. korttidshukommelse og manipulationsfærdigheder (som bestemmes ved hjælp af en fingertappetest) i de meget store højder. Dette var ikke uventet. Da ekspeditionen vendte tilbage til nær havniveau, viste det sig imidlertid, at to af målingerne fortsat var unormale. Det drejede sig om korttidshukommelsen og fingertapping-testen (Townes et al., 1984). Det var derfor klart, at enhver, der vender tilbage fra disse ekstreme højder, sandsynligvis vil have en vis tilbageværende forringelse af centralnervesystemet. Vi var en af de første grupper, der viste dette, men det er blevet bekræftet mange gange siden.

Nogle af de mest interessante resultater var dem fra topmødet. Vi havde designet og bygget en særlig anordning, der gjorde det muligt for bjergbestigeren at opsamle den sidste udåndingsgas efter en maksimal udånding, dvs. en alveolær gasprøve. Over 34 prøver, herunder fire fra topmødet, blev bragt tilbage til UC San Diego i gastætte dåser. Da den alveolære PCO2 blev sat op mod det barometriske tryk, som faldt med stigende højde, viste det sig, at PCO2 på toppen var 7-8 mm Hg. Dette var en næsten utrolig lav værdi, da værdien på havniveau er ca. 40 mm Hg. Denne ekstremt lave værdi understreger den enorme stigning i den alveolære ventilation, der er nødvendig i disse ekstreme højder (West et al., 1983).

Når både den alveolære PO2 og PCO2 blev plottet mod det barometriske tryk, tegnede der sig et interessant billede (figur 1). Både PO2 og PCO2 faldt, efterhånden som højden steg. Faldet i PO2 opstod på grund af reduktionen i luften omkring bjergbestigeren som følge af faldet i det barometriske tryk. Faldet i PCO2 skyldtes kun klatrerens hyperventilation. Det viste sig, at når højden oversteg ca. 7000 m, skete der ikke noget yderligere fald i den alveolære PO2-værdi. Figuren viser, at dette forsvares ved et niveau på ca. 35 mm Hg. For at overleve i disse enorme højder er man med andre ord nødt til at etablere en alveolær ventilation, der kan drive PCO2 ned til ca. 8 mm Hg og dermed bevare den alveolære PO2 på det meget lave, men levedygtige niveau på ca. 35 mm Hg. Dette forklarer, hvorfor der i de tidligere omtalte målinger af det respiratoriske respons på hypoxi var en sammenhæng mellem responsens størrelse og bjergbestigerens tolerance over for ekstrem højde. Hvis man ikke er i stand til at foretage en hyperventilation, der er tilstrækkelig til at drive den alveolære PCO2 ned til ca. 7-8 mm Hg, kan man ikke opretholde et levedygtigt niveau af PO2 i alveolergassen. Ekstrem hyperventilation er således et af de vigtigste træk ved den fysiologiske reaktion på ekstremt stor højde.

Figur 1. Værdier af PO2 og PCO2 i alveolærgasen hos bjergbestigere under deres opstigning fra havniveau (øverst til højre) til Everest-toppen (nederst til venstre). PO2 falder på grund af faldet i det barometriske tryk. PCO2 falder på grund af den stigende alveolær ventilation. Over en højde, der svarer til en PCO2 på ca. 20 mm Hg (ca. 7000 m), falder PO2 ikke yderligere. Med andre ord er dette forsvaret ved ca. 35 mm Hg. Dette kan kun lade sig gøre, hvis PCO2 løbende reduceres yderligere ved ekstrem hyperventilation, efterhånden som højden stiger. Modificeret fra Rahn og Otis (1949) og West et al. (1983).

Den ekstremt lave alveolære PCO2 foranlediger spørgsmålet om, hvad der er sket med den arterielle pH-værdi. Det er rimeligt at antage, at den arterielle og den alveolære PCO2 er den samme. Heldigvis tog to af bjergbestigerne veneblod fra hinanden om morgenen efter deres vellykkede bestigning af toppen, og basisoverskudsværdierne kunne derfor måles. Da disse værdier blev indsat i Henderson-Hasselbalch-ligningen, var den resulterende arterielle pH-værdi mellem 7,7 og 7,8. Dette er en ekstrem grad af respiratorisk alkalose.

Et interessant spørgsmål er, hvorfor nyrerne ikke eliminerede bikarbonat for at udvikle en metabolisk kompensation for denne ekstreme alkalose og dermed bringe pH-værdien tættere på det normale. Dette er den sædvanlige reaktion, hvis en respiratorisk alkalose genereres, f.eks. ved hyperventilation, som det undertiden sker under hysteri. Årsagen til den manglende metaboliske kompensation er ikke helt klarlagt, men en mulighed er, at disse bjergbestigere formentlig var stærkt udtømt for volumen. Dette er et almindeligt træk ved at gå til stor højde, og f.eks. viste de bjergbestigere, der opholdt sig i den avancerede basislejr i 6300 m højde, tegn på kronisk volumenudtømning. En ansvarlig faktor i ekstrem højde er formentlig den enorme hyperventilation, men tørsten er også nedsat.

De fysiologiske konsekvenser af den alvorlige alkalose er interessante. Andre undersøgelser har vist, at en øget iltaffinitet hos hæmoglobin øger overlevelsen i et hypoxisk miljø. For mange år siden blev det vist, at pattedyr som vicuña og lama i de sydamerikanske Andesbjerge har en øget iltaffinitet (dvs. de havde en venstre -forskudt iltdissociationskurve) sammenlignet med pattedyr, der lever på havniveau (Hall, 1937). Således har bjergbestigere i meget stor højde den samme reaktion.

Det er også rigtigt, at hvis man generelt i hele dyreriget ser på organismer, der lever i et hypoxisk miljø, har mange af dem udviklet en øget iltaffinitet i hæmoglobinet. Et af de bedste eksempler er det menneskelige foster, der på grund af en forskel i aminosyresekvensen i hæmoglobinet har en markant forøget iltaffinitet med en P50 på ca. 19 mm Hg sammenlignet med en P50 på ca. 27 for en voksen. Det menneskelige foster lider af alvorlig hypoxæmi efter voksenstandard med en PO2 i den nedadgående aorta på ca. 22 mm Hg, hvilket er endnu lavere end hos en bjergbestiger på Everest-toppen. Det er faktisk fascinerende, at den succesfulde bjergbestiger har den fordel, at hæmoglobinet har en øget iltaffinitet. Dette bidrager til iltoptagelsen i lungekapillæret. Man kunne hævde, at det også forstyrrer aflastningen af ilt i kroppens periferi, men undersøgelser har vist, at fordelen ved belastning i lungen er større end ulempen ved aflastning i de perifere væv.

Et interessant spørgsmål er, hvad der er det maksimale iltforbrug hos en bjergbestiger på topmødet. Som tidligere nævnt tyder tidligere målinger, der blev foretaget i ekstrem højde under Silver Hut-ekspeditionen, på, at al den ilt, der er til rådighed på toppen, ville være nødvendig for den basale iltopdatering, dvs. for at holde hjertet pumpende og hjernen aktiv. Det var umuligt at opstille et cykelergometer på topmødet. Vi tog imidlertid bjergbestigere, der var meget velakklimatiserede, og lod dem træde maksimalt i pedalerne i en højde på 6300 m, mens de indåndede 14 % ilt. Det gav dem det samme inspirerede PO2 som på toppen. Iltoptagelsesniveauet under disse forhold var ca. 1 L/min, hvilket er et elendigt lavt maksimalt iltforbrug, og svarer til en person, der går langsomt på et niveau. Men det er tilsyneladende lige tilstrækkeligt til at sætte en bjergbestiger i stand til at nå toppen.

Author Contributions

JW udarbejdede manuskriptet, læste og godkendte den indsendte version.

Interessekonflikt erklæring

Forfatteren erklærer, at forskningen blev udført uden nogen kommercielle eller økonomiske relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.