Frontiers in Physiology

Introduction

Ich hatte das Glück, an zwei großen physiologischen Forschungsexpeditionen in extreme Höhen teilzunehmen. Die erste war die Silver Hut Expedition in den Jahren 1960-1961, bei der eine Gruppe von Physiologen mehrere Monate in der sehr großen Höhe von 5.800 m verbrachte, und wir maßen die physiologischen Veränderungen, die während dieses langen Zeitraums auftraten. Weitere Studien wurden bis zu einer Höhe von 7.830 m durchgeführt. Das übergeordnete Ziel war es, die Mechanismen zu bestimmen, mit denen Menschen, die normalerweise in Meereshöhe leben, auf schwere Hypoxie über einen längeren Zeitraum reagieren.

Die zweite Expedition war die American Medical Research Expedition zum Everest, die 1981 stattfand. Hier war das physiologische Ziel ein ganz anderes. Ziel war es, die ersten physiologischen Daten von Menschen auf dem Gipfel des Mount Everest (8.848 m) zu erhalten, um zu klären, wie Menschen, die normalerweise auf Meereshöhe leben, die extreme Hypoxie am höchsten Punkt der Welt überleben können.

Silver Hut Expedition

Dies war die Idee von Sir Edmund Hillary, der zusammen mit Tenzing Norgay sieben Jahre zuvor als erster Mensch den Gipfel des Mount Everest erreicht hatte. Hillary hatte bei dieser Erstbesteigung des Everest mit Griffith Pugh, einem Höhenphysiologen, zusammengearbeitet, und beide Männer interessierten sich sehr für den Akklimatisierungsprozess, der es Menschen aus der Nähe des Meeresspiegels ermöglicht, sehr große Höhen zu erklimmen.

Mein besonderes Interesse galt der Diffusionskapazität der Lunge. Barcroft (1925) hatte vermutet, dass eine körperliche Betätigung in großer Höhe zu einer arteriellen Hypoxämie führen würde, weil die Diffusion durch die Blut-Gas-Schranke eingeschränkt ist. Um dies zu testen, ließen wir die Expeditionsteilnehmer auf einem Fahrradergometer ihre maximale Leistung erbringen und maßen die arterielle Sauerstoffsättigung mit einem neu verfügbaren Ohroximeter (West et al., 1962). Wir stellten fest, dass die arterielle Sauerstoffsättigung trotz des Anstiegs des alveolären PO2 mit zunehmender Belastung deutlich abnahm. Dies war ein deutlicher Hinweis auf eine Diffusionslimitierung unter diesen Bedingungen einer schweren Hypoxie. Doppelte Messungen an mir selbst ergaben eine Sauerstoffsättigung von nur 33 % bei maximaler Belastung, was eine sehr schwere Hypoxämie widerspiegelte.

Wir maßen auch die Diffusionskapazität für Kohlenmonoxid im Verlauf der Expedition und zeigten, dass sich diese kaum veränderte (West, 1962). Der geringe Anstieg konnte durch die sich entwickelnde Polyzythämie erklärt werden. Die Schlussfolgerung lautete, dass sich die Eigenschaften der Blutgasschranke durch eine längere Exposition gegenüber schwerer Hypoxie nicht veränderten. Dies war der erste eindeutige Nachweis einer Diffusionslimitierung des Sauerstofftransfers durch die Lunge bei schwerer körperlicher Anstrengung in sehr großer Höhe.

Später auf der Expedition wurden Messungen der maximalen Sauerstoffaufnahme bei körperlicher Anstrengung in der extrem großen Höhe von 7.440 m durchgeführt (Pugh et al., 1964). Die Extrapolation dieser Daten auf die Höhe des Everest-Gipfels legte nahe, dass es unmöglich wäre, den Gipfel ohne zusätzlichen Sauerstoff zu erreichen. Blutuntersuchungen zeigten eine ausgeprägte Polyzythämie bei den Probanden, die in einer Höhe von 5.800 m lebten. Die mittlere Hämoglobinkonzentration und der Hämatokrit lagen bei 19,6 g/dl bzw. 55,8 %. Es gab Hinweise darauf, dass der anfängliche Anstieg des Hämatokrits vor allem auf einen Verlust des Plasmavolumens zurückzuführen war, während später eine starke Zunahme der Erythrozytenmasse zu verzeichnen war. Das Elektrokardiogramm von Personen, die in 5.800 m Höhe lebten, zeigte eine ausgeprägte rechtsventrikuläre Hypertrophie, und in einigen Ableitungen kam es zu einer Inversion der T-Wellen in den Brustkorbableitungen, was vermutlich auf eine schwere Myokardhypoxie hinweist (Milledge, 1963). Messungen der neuropsychometrischen Funktion wurden mit Hilfe des Sortierens von Karten durchgeführt, und es wurde festgestellt, dass die Sortiergeschwindigkeit reduziert war, die Probanden jedoch bei erhöhter Konzentration fehlerfrei sortieren konnten. Während des Aufenthalts in 5.800 m Höhe kam es bei allen Expeditionsteilnehmern zu einem starken, unaufhaltsamen Gewichtsverlust, der zwischen 0,5 und 1,5 kg/Woche lag. Der allgemeine Eindruck war, dass es für Menschen nicht möglich ist, unbegrenzt in dieser großen Höhe zu leben (Pugh, 1962).

American Medical Research Expedition to Everest

Wie bereits erwähnt, war das Ziel dieser Expedition zu klären, wie Menschen die Hypoxie in der höchsten Höhe der Welt ertragen können. Einige Monate vor der Expedition erreichten zwei europäische Bergsteiger zum ersten Mal den Gipfel des Mount Everest, ohne zusätzlichen Sauerstoff zu verwenden. Diese Leistung versetzte viele Physiologen in Erstaunen und warf viele Fragen darüber auf, wie dies möglich war.

Das Forschungsprogramm war sehr umfangreich, und es kann hier nur eine kurze Zusammenfassung gegeben werden. Es wurden Messungen im Basislager auf 5.400 m Höhe, im vorgeschobenen Basislager auf 6.300 m Höhe und im höchsten Lager auf 8.050 m Höhe durchgeführt. Wir hofften auch, einige Messungen auf dem Everest-Gipfel vornehmen zu können, obwohl dies sehr ehrgeizig war. Wenn wir auf die sechs Expeditionen vor unserer zurückblicken, hat nicht eine von ihnen den Gipfel erreicht. Wenn das Wetter schlecht ist, kann man es vergessen, und ein kritischer Faktor ist, ob genügend Mitglieder der Expedition trotz der extremen Höhe fit genug sind.

Im Basislager haben wir die ventilatorische Reaktion auf Hypoxie gemessen, d.h. das Ausmaß, in dem die Atmung zunimmt, wenn die Versuchsperson einem niedrigen inspirierten Sauerstoffgemisch ausgesetzt ist. Die Ergebnisse waren verblüffend. Es stellte sich heraus, dass der Bergsteiger, der als erster den Gipfel erreichte, die höchste Reaktion aufwies, derjenige, der als zweiter den Gipfel erreichte, die zweithöchste und derjenige, der als dritter den Gipfel erreichte, die dritthöchste Reaktion (Schoene et al., 1984). Dies muss zum Teil zufällig sein, aber es deutet darauf hin, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß, in dem Bergsteiger ihre Ventilation erhöhen, und ihrer Toleranz gegenüber extremer Höhe gibt. Der Grund dafür wird weiter unten noch deutlicher werden.

Im vorgeschobenen Basislager wurden zahlreiche Studien durchgeführt, aber nur eine, eine neuropsychometrische Studie, soll hier zusammengefasst werden. Es ist bekannt, dass das Gehirn und das zentrale Nervensystem sehr empfindlich auf Hypoxie reagieren. Wenn zum Beispiel jemand in ein Schwimmbecken fällt und 5 oder 10 Minuten später gerettet wird, kann er zwar erfolgreich wiederbelebt werden, aber das zentrale Nervensystem erholt sich nie vollständig. Es war daher nicht überraschend, dass wir in sehr großen Höhen Veränderungen bei Messungen wie dem Kurzzeitgedächtnis und der Manipulationsfähigkeit (ermittelt durch einen Fingertipptest) feststellen konnten. Dies war auch nicht unerwartet. Als die Expedition in die Nähe des Meeresspiegels zurückkehrte, stellte sich jedoch heraus, dass zwei der Messwerte weiterhin anormal waren. Dabei handelte es sich um das Kurzzeitgedächtnis und den Fingerklopftest (Townes et al., 1984). Es war daher klar, dass jeder, der aus diesen extremen Höhen zurückkehrt, wahrscheinlich eine gewisse Restbeeinträchtigung des zentralen Nervensystems aufweist. Wir waren eine der ersten Gruppen, die dies nachweisen konnten, aber es wurde seither mehrfach bestätigt.

Zu den interessantesten Ergebnissen gehörten die vom Gipfel. Wir hatten ein spezielles Gerät entwickelt und gebaut, das es dem Bergsteiger ermöglichte, das letzte ausgeatmete Gas nach einer maximalen Ausatmung zu sammeln, d.h. eine alveoläre Gasprobe. Über 34 Proben, darunter vier vom Gipfel, wurden in gasdichten Dosen zur UC San Diego zurückgebracht. Als der alveolengängige PCO2-Wert gegen den barometrischen Druck aufgetragen wurde, der mit zunehmender Höhe abnahm, stellte sich heraus, dass der PCO2-Wert auf dem Gipfel bei 7-8 mm Hg lag. Dies war ein fast unglaublich niedriger Wert, da der Wert auf Meereshöhe bei etwa 40 mm Hg liegt. Dieser extrem niedrige Wert unterstreicht die enorme Zunahme der alveolären Ventilation, die in diesen extremen Höhen notwendig ist (West et al., 1983).

Wenn man sowohl den alveolären PO2 als auch den PCO2 gegen den Luftdruck aufträgt, ergibt sich ein interessantes Bild (Abbildung 1). Sowohl der PO2 als auch der PCO2 sanken mit zunehmender Höhe. Der Rückgang des PO2 ist auf die Verringerung der Luft in der Umgebung des Bergsteigers infolge der Verringerung des barometrischen Drucks zurückzuführen. Der Abfall des PCO2 wurde nur durch die Hyperventilation des Bergsteigers verursacht. Es stellte sich heraus, dass der alveolengängige PO2 nicht weiter sank, wenn die Höhe von etwa 7000 m überschritten wurde. Die Abbildung zeigt, dass dieser bei einem Wert von etwa 35 mm Hg verteidigt wird. Mit anderen Worten: Um in diesen enormen Höhen zu überleben, muss man eine Alveolarventilation aufbauen, die den PCO2 auf etwa 8 mmHg senkt und so den alveolären PO2 auf dem sehr niedrigen, aber lebensfähigen Niveau von etwa 35 mmHg hält. Dies erklärt, warum bei den bereits erwähnten Messungen der Beatmungsreaktion auf Hypoxie eine Korrelation zwischen dem Ausmaß der Reaktion und der Toleranz des Bergsteigers gegenüber extremer Höhe festgestellt wurde. Wenn man nicht in der Lage ist, einen Grad an Hyperventilation zu erreichen, der ausreicht, um den alveolären PCO2 auf etwa 7-8 mm Hg zu senken, kann man kein lebensfähiges PO2-Niveau im alveolären Gas aufrechterhalten. Somit ist die extreme Hyperventilation eines der wichtigsten Merkmale der physiologischen Reaktion auf extreme Höhenlagen.

Abbildung 1. Werte des PO2 und PCO2 im Alveolargas von Bergsteigern beim Aufstieg von Meereshöhe (oben rechts) zum Everest-Gipfel (unten links). Der PO2 sinkt aufgrund der Abnahme des Luftdrucks. Der PCO2 sinkt aufgrund der zunehmenden alveolären Ventilation. Oberhalb einer Höhe, die einem PCO2 von etwa 20 mm Hg (etwa 7000 m) entspricht, sinkt der PO2 nicht weiter ab. Mit anderen Worten, dieser wird bei etwa 35 mmHg verteidigt. Dies ist nur möglich, wenn der PCO2 durch extreme Hyperventilation mit zunehmender Höhe immer weiter gesenkt wird. Modifiziert nach Rahn und Otis (1949) und West et al. (1983).

Der extrem niedrige alveoläre PCO2 wirft die Frage auf, was mit dem arteriellen pH-Wert passiert. Es ist anzunehmen, dass der arterielle und der alveoläre PCO2 gleich sind. Glücklicherweise nahmen sich zwei der Bergsteiger am Morgen nach ihrem erfolgreichen Aufstieg zum Gipfel gegenseitig venöses Blut ab, so dass die Werte des Basisüberschusses gemessen werden konnten. Als diese Werte in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung eingesetzt wurden, lag der resultierende arterielle pH-Wert zwischen 7,7 und 7,8. Dies ist ein extremer Grad an respiratorischer Alkalose.

Eine interessante Frage ist, warum die Niere kein Bikarbonat ausscheidet, um einen metabolischen Ausgleich für diese extreme Alkalose zu entwickeln und somit den pH-Wert näher an den Normalwert zu bringen. Dies ist die übliche Reaktion, wenn eine respiratorische Alkalose entsteht, z. B. durch Hyperventilation, wie sie manchmal bei Hysterie auftritt. Der Grund für das Fehlen einer metabolischen Kompensation ist nicht vollständig geklärt, aber eine Möglichkeit ist, dass diese Bergsteiger wahrscheinlich einen starken Volumenmangel hatten. Dies ist eine häufige Erscheinung, wenn man sich in große Höhen begibt, und die Bergsteiger, die sich im vorgeschobenen Basislager in 6300 m Höhe aufhielten, wiesen Anzeichen einer chronischen Volumenverarmung auf. Ein verantwortlicher Faktor in extremer Höhe ist vermutlich die enorme Hyperventilation, aber auch der Durst ist beeinträchtigt.

Interessant sind die physiologischen Folgen der schweren Alkalose. Andere Studien haben gezeigt, dass eine erhöhte Sauerstoffaffinität des Hämoglobins das Überleben in einer hypoxischen Umgebung erhöht. Vor vielen Jahren wurde gezeigt, dass Säugetiere wie das Vikunja und das Lama in den südamerikanischen Anden eine erhöhte Sauerstoffaffinität (d. h. eine nach links verschobene Sauerstoffdissoziationskurve) im Vergleich zu Säugetieren haben, die auf Meereshöhe leben (Hall, 1937). Daher haben Bergsteiger in sehr großen Höhen die gleiche Reaktion.

Es ist auch wahr, dass, wenn man sich allgemein im Tierreich Organismen ansieht, die in einer hypoxischen Umgebung leben, viele von ihnen eine erhöhte Sauerstoffaffinität des Hämoglobins entwickelt haben. Eines der besten Beispiele ist der menschliche Fötus, der aufgrund eines Unterschieds in der Aminosäuresequenz des Hämoglobins eine deutlich erhöhte Sauerstoffaffinität mit einem P50-Wert von etwa 19 mm Hg im Vergleich zu einem Wert von etwa 27 bei einem Erwachsenen aufweist. Der menschliche Fötus hat eine schwere Hypoxämie im Vergleich zu Erwachsenen mit einem PO2 in der absteigenden Aorta von etwa 22 mm Hg, was sogar niedriger ist als der eines Bergsteigers auf dem Everest-Gipfel. Es ist in der Tat faszinierend, dass der erfolgreiche Bergsteiger den Vorteil einer erhöhten Sauerstoffaffinität des Hämoglobins hat. Dies erleichtert die Sauerstoffaufnahme in den Lungenkapillaren. Man könnte argumentieren, dass dies auch die Entladung von Sauerstoff in der Peripherie des Körpers behindert, aber Studien haben gezeigt, dass der Vorteil der Beladung in der Lunge größer ist als der Nachteil der Entladung in den peripheren Geweben.

Eine interessante Frage ist, was der maximale Sauerstoffverbrauch eines Bergsteigers auf dem Gipfel ist. Wie bereits angedeutet, ließen frühere Messungen in extremer Höhe während der Silver Hut Expedition vermuten, dass der gesamte auf dem Gipfel verfügbare Sauerstoff für die basale Sauerstoffaktualisierung benötigt wird, d.h. um das Herz in Bewegung und das Gehirn aktiv zu halten. Es war unmöglich, auf dem Gipfel ein Fahrradergometer aufzustellen. Wir nahmen jedoch Bergsteiger, die sehr gut akklimatisiert waren, und ließen sie in einer Höhe von 6300 m maximal in die Pedale treten, während sie 14 % Sauerstoff atmeten. Dadurch erhielten sie den gleichen inspirierten PO2 wie auf dem Gipfel. Die Sauerstoffaufnahme lag unter diesen Bedingungen bei etwa 1 l/min, was ein erbärmlich niedriger maximaler Sauerstoffverbrauch ist und dem einer Person entspricht, die langsam auf der Ebene geht. Es ist jedoch offenbar gerade ausreichend, um einen Bergsteiger in die Lage zu versetzen, den Gipfel zu erreichen.

Beiträge der Autoren

JW hat das Manuskript verfasst, gelesen und die eingereichte Version genehmigt.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Der Autor erklärt, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.