Frontiers in Physiology

Introduction

Az a szerencse ért, hogy részt vehettem két nagy fiziológiai kutatási expedícióban extrém magasságban. Az első az 1960-1961-es Silver Hut expedíció volt, amelynek során fiziológusok egy csoportja több hónapot töltött a nagyon nagy magasságban, 5800 m-en, és mértük a hosszú idő alatt bekövetkezett élettani változásokat. További vizsgálatokat végeztek egészen 7830 m-ig (25 700 láb). Az általános cél az volt, hogy meghatározzuk azokat a mechanizmusokat, amelyekkel az emberek, akik normális esetben a tengerszint közelében élnek, hosszabb időn keresztül reagálnak a súlyos hipoxiára.

A második expedíció az amerikai orvosi kutatási expedíció volt az Everestre, amelyre 1981-ben került sor. Itt az élettani cél egészen más volt. A cél az volt, hogy a Mount Everest csúcsán (8848 m) megszerezzék az első emberi élettani adatokat, hogy tisztázzák, hogyan képesek a normális körülmények között tengerszinten élő emberek túlélni a világ legmagasabb pontján tapasztalható extrém hipoxiát.

Silver Hut Expedíció

Ez Sir Edmund Hillary ötlete volt, aki Tenzing Norgayval együtt hét évvel korábban elsőként jutott fel a Mount Everest csúcsára. Hillary ezen az első Everest-emelkedésen Griffith Pugh-val, egy magaslati fiziológussal dolgozott együtt, és mindkettőjüket intenzíven érdekelte az akklimatizációs folyamat, amely lehetővé teszi, hogy az emberek a tengerszint közeli magasságból nagyon nagy magasságokba emelkedjenek.

Az én érdeklődésemet különösen a tüdő diffúziós kapacitása kötötte le. Barcroft (1925) felvetette, hogy a nagy magasságban végzett testmozgás artériás hipoxémiát eredményez a vérgázgáton keresztüli diffúziós korlátozás miatt. Ennek tesztelésére úgy intéztük, hogy az expedíció tagjai maximális kapacitással dolgozzanak egy kerékpár-ergométeren, és egy újonnan elérhető füloximéterrel (West és mtsai., 1962) megmértük az artériás oxigénszaturációt. Azt találtuk, hogy valójában az alveoláris PO2 növekedése ellenére az arteriális oxigéntelítettség jelentősen csökkent, ahogy a munkaszintet emeltük. Ez erős bizonyíték volt a diffúziós korlátozásra a súlyos hipoxia ezen körülményei között. A magamon végzett kétszeres mérések maximális terhelésnél csak 33%-os oxigénszaturációt mutattak, ami nagyon súlyos hipoxémiát tükrözött.

A szén-monoxid diffúziós kapacitását is megmértük az expedíció során, és kimutattuk, hogy ez alig változott (West, 1962). A kis mértékű növekedést a kialakult policitémia magyarázhatta. A következtetés az volt, hogy a vérgázgát jellemzőit nem változtatta meg a súlyos hipoxiának való tartós kitettség. Ez volt az első egyértelmű bizonyítéka a tüdő oxigénszállításának diffúziós korlátozásának a nagyon nagy magasságban végzett súlyos terhelés során.

Az expedíció későbbi szakaszában méréseket végeztek a maximális oxigénfelvételről terhelés közben, a rendkívül nagy magasságban, 7440 m-en (Pugh et al., 1964). Ezeknek az adatoknak az Everest-csúcs magasságára való extrapolálása azt sugallta, hogy a csúcsot lehetetlen lenne elérni pótlólagos oxigén nélkül. A vérvizsgálatok az 5 800 m magasságban élő alanyoknál kifejezett policitémiát mutattak ki. Az átlagos hemoglobinkoncentráció 19,6 g/dl, illetve 55,8%-os hematokrit volt. Bizonyított volt, hogy a hematokrit kezdeti növekedését elsősorban a plazmatérfogat csökkenése okozta, később azonban a vörösvérsejtek tömegének nagymértékű növekedése következett be. Az 5800 m-en élők elektrokardiogramja kifejezett jobb kamrai hipertrófiát mutatott, és néhány felvételen a mellkasi elvezetésekben a T-hullámok inverziója volt megfigyelhető, ami feltehetően súlyos szívizomhipoxiára utal (Milledge, 1963). A neuropszichometriai funkciók mérését kártyaválogatással végezték, és azt találták, hogy a válogatási sebesség csökkent, de a koncentráció növelésével az alanyok hibátlanul tudtak válogatni. Az expedíció minden tagjánál súlyos, könyörtelen fogyás volt tapasztalható, miközben 5800 m-en éltek, a fogyás mértéke 0,5 és 1,5 kg/hét között mozgott. Az általános benyomás az volt, hogy az emberek számára nem lehetséges a végtelenségig ilyen nagy magasságban élni (Pugh, 1962).

Amerikai Orvosi Kutatóexpedíció az Everestre

Amint fentebb említettük, az expedíció célja annak tisztázása volt, hogy az ember hogyan képes elviselni a világ legnagyobb magasságában uralkodó hipoxiát. Figyelemre méltó, hogy néhány hónappal az expedíció előtt két európai hegymászó először jutott fel a Mount Everest csúcsára kiegészítő oxigén használata nélkül. Ez a bravúr sok fiziológust megdöbbentett, és sok kérdést vetett fel azzal kapcsolatban, hogyan lehetséges ez.

A kutatási program nagyon kiterjedt volt, és itt csak egy rövid összefoglalót lehet adni. Méréseket végeztek az alaptáborban, 5400 m (17 700 láb) magasságban, és az előrehaladott alaptáborban, 6300 m (20 700 láb) magasságban, valamint a legmagasabb táborban, 8050 m (26 400 láb) magasságban. Azt is reméltük, hogy az Everest csúcsán is tudunk méréseket végezni, bár ez nagyon ambiciózus volt. Valójában, ha visszatekintettünk a sajátunkat megelőző hat expedícióra, egyik sem érte el a csúcsot. Ha rossz az időjárás, felejtsük el, és kritikus tényező, hogy az expedíció elegendő tagja elég fitt marad-e az extrém magasság ellenére.

Az alaptáborban megmértük a hipoxiára adott légzési választ, vagyis azt, hogy milyen mértékben fokozódik a légzés, amikor az alany alacsony belélegzett oxigénkeveréknek van kitéve. Az eredmények szembetűnőek voltak. Kiderült, hogy a csúcsra elsőként feljutó hegymászónak volt a legnagyobb válasza, a másodiknak feljutónak a következő, a harmadiknak feljutónak pedig a harmadik (Schoene et al., 1984). Ez részben bizonyára véletlen, de mindenképpen arra utalt, hogy összefüggés van a hegymászók szellőzésük fokozása és az extrém magassággal szembeni tűrőképességük között. Ennek oka az alábbiakban világosabbá válik.

Az előrehaladott alaptáborban számos vizsgálatot végeztek, de itt csak egyet, egy neuropszichometriai vizsgálatot foglalunk össze. Köztudott, hogy az agy és a központi idegrendszer nagyon érzékeny a hipoxiára. Ha például valaki beleesik egy úszómedencébe, és 5-10 perc múlva kimentik, lehet, hogy sikerül újraéleszteni, de a központi idegrendszer soha nem épül fel teljesen. Ezért nem volt meglepő, hogy a nagyon nagy magasságban olyan mérésekben, mint a rövid távú memória és a manipulációs készség (ujjkoppintásos tesztből meghatározva), változásokat tudtunk kimutatni. Ez nem volt váratlan. Amikor azonban az expedíció visszatért a tengerszint közeli magasságba, kiderült, hogy két mérés továbbra is abnormális maradt. Ezek a rövid távú memória és az ujjkoppintásos teszt voltak (Townes et al., 1984). Világos volt tehát, hogy bárki, aki ilyen szélsőséges magasságokból tér vissza, valószínűleg a központi idegrendszerben maradandó károsodást szenved. Mi voltunk az egyik első csoport, amely ezt kimutatta, de azóta már sokszor megerősítették.

A legérdekesebb eredmények közül néhányat a csúcsról származó eredmények mutattak ki. Terveztünk és építettünk egy speciális eszközt, amely lehetővé tette, hogy a hegymászó a maximális kilégzés után az utolsó kilélegzett gázt, azaz alveoláris gázmintát gyűjtse. Több mint 34 mintát, köztük négyet a csúcsról visszahoztunk a San Diegó-i Kaliforniai Egyetemre gázzáró dobozokban. Amikor az alveoláris PCO2-t a barometrikus nyomással szemben ábrázolták, amely a magasság növekedésével csökkent, kiderült, hogy a csúcson a PCO2 7-8 mm Hg volt. Ez szinte hihetetlenül alacsony érték volt, mivel a tengerszint feletti érték körülbelül 40 mm Hg. Ez a rendkívül alacsony érték hangsúlyozza az alveoláris szellőzés óriási növekedését, amelyre ilyen extrém magasságokban szükség van (West et al., 1983).

Amikor mind az alveoláris PO2-t, mind a PCO2-t ábrázolták a barometrikus nyomással szemben, érdekes kép rajzolódott ki (1. ábra). Mind a PO2, mind a PCO2 csökkent a magasság növekedésével. A PO2 csökkenése a hegymászót körülvevő levegőnek a barometrikus nyomás csökkenése következtében bekövetkező csökkenése miatt következett be. A PCO2 csökkenését kizárólag a hegymászó hiperventillációja okozta. Kiderült, hogy amikor a magasság meghaladta a 7000 m-t, az alveoláris PO2 nem csökkent tovább. Az ábrán látható, hogy ez körülbelül 35 Hgmm-es szinten védekezett. Más szóval, az ilyen hatalmas magasságokban való túléléshez olyan alveoláris szellőztetésre van szükség, amely a PCO2-t körülbelül 8 mmHg-ra csökkenti, és így az alveoláris PO2-t a nagyon alacsony, de életképes, körülbelül 35 mm Hg-os szinten tartja. Ez megmagyarázza, hogy a hipoxiára adott ventilációs válasz korábban említett mérései során miért volt összefüggés a válasz nagysága és a hegymászó extrém magassággal szembeni tűrőképessége között. Ha nem vagyunk képesek olyan mértékű hiperventillációra, amely elegendő ahhoz, hogy az alveoláris PCO2-t körülbelül 7-8 mm Hg-ra csökkentsük, akkor nem tudjuk fenntartani az alveoláris gázban a PO2 életképes szintjét. Így a szélsőséges hiperventilláció az egyik legfontosabb jellemzője a rendkívül nagy magasságra adott fiziológiai válasznak.

1. ábra. A hegymászók PO2 és PCO2 értékei az alveoláris gázban a tengerszintről (jobbra fent) az Everest csúcsára (balra lent) való feljutás során. A PO2 a barometrikus nyomás csökkenése miatt csökken. A PCO2 a növekvő alveoláris ventiláció miatt csökken. A kb. 20 mm Hg PCO2-nek megfelelő magasság felett (kb. 7000 m) a PO2 nem csökken tovább. Más szóval ez körülbelül 35 mmHg-nál védekezik. Ez csak akkor lehetséges, ha a PCO2-t a magasság növekedésével folyamatosan tovább csökkentjük extrém hiperventillációval. Módosítva Rahn és Otis (1949) és West et al. (1983) alapján.

A rendkívül alacsony alveoláris PCO2 felveti a kérdést, hogy mi történt az artériás pH-val. Ésszerűen feltételezhető, hogy az artériás és az alveoláris PCO2 azonos. Szerencsére a hegymászók közül ketten vénás vért vettek egymástól a sikeres csúcsmászást követő reggelen, így az alapfelületi értékeket meg lehetett mérni. Amikor ezeket az értékeket beírtuk a Henderson-Hasselbalch-egyenletbe, a kapott artériás pH 7,7 és 7,8 között volt. Ez a légzőszervi alkalózis szélsőséges fokát jelenti.

Egy érdekes kérdés, hogy a vese miért nem választotta ki a bikarbonátot, hogy metabolikus kompenzációt alakítson ki erre a szélsőséges alkalózisra, és így a pH-t közelebb vigye a normálishoz. Ez a szokásos válasz, ha a légzési alkalózist például hiperventilláció hozza létre, ahogyan az néha hisztéria során előfordul. A metabolikus kompenzáció hiányának oka nem teljesen tisztázott, de az egyik lehetőség az, hogy ezek a hegymászók valószínűleg súlyos volumenhiányban szenvedtek. Ez gyakori jellemzője a magashegyi utazásnak, és például azok a hegymászók, akik a 6300 m magasan lévő, előrehaladott alaptáborban tartózkodtak, krónikus térfogatcsökkenés jeleit mutatták. Az egyik felelős tényező az extrém magasságban feltehetően a hatalmas hiperventiláció, de a szomjúság is károsodott.

A súlyos alkalózis fiziológiai következményei érdekesek. Más vizsgálatok kimutatták, hogy a hemoglobin megnövekedett oxigénaffinitása növeli a túlélést hipoxiás környezetben. Sok évvel ezelőtt kimutatták, hogy a dél-amerikai Andokban élő emlősök, például a vicuña és a láma megnövekedett oxigénaffinitással (azaz balra eltolt oxigén disszociációs görbével) rendelkeznek a tengerszinten élő emlősökhöz képest (Hall, 1937). Így a nagyon nagy magasságban élő hegymászók is hasonlóan reagálnak.

Az is igaz, hogy ha általában az egész állatvilágban megnézzük a hipoxiás környezetben élő szervezeteket, sokuknál kialakult a hemoglobin megnövekedett oxigénaffinitása. Az egyik legjobb példa erre az emberi magzat, amely a hemoglobin aminosav-szekvenciájának eltérése miatt jelentősen megnövekedett oxigén-affinitással rendelkezik, amelynek P50 értéke körülbelül 19 mm Hg, míg a felnőtteké körülbelül 27 mm Hg. Az emberi magzatnak felnőtt mércével mérve súlyos hipoxémiája van, a PO2 a leszálló aortában körülbelül 22 mm Hg, ami még az Everest csúcsán lévő hegymászókénál is alacsonyabb. Valóban lenyűgöző, hogy a sikeres hegymászónak megvan az az előnye, hogy a hemoglobin oxigénaffinitása megnövekedett. Ez segíti a tüdőkapillárisok oxigénnel való feltöltődését. Lehetne azzal érvelni, hogy ez az oxigénterhelést is akadályozza a perifériás szövetekben, de a vizsgálatok kimutatták, hogy a tüdőben történő terhelés előnye nagyobb, mint a perifériás szövetekben történő terhelés hátránya.

Egy érdekes kérdés, hogy mekkora a hegymászó maximális oxigénfogyasztása a csúcson. Mint korábban jeleztük, a Silver Hut expedíció során extrém magasságban végzett korábbi mérések azt sugallták, hogy a csúcson rendelkezésre álló összes oxigénre szükség lesz a bazális oxigénfrissítéshez, vagyis a szív pumpálásának és az agy aktivitásának fenntartásához. Lehetetlen volt kerékpár-ergométert elhelyezni a csúcson. Vettünk azonban olyan hegymászókat, akik nagyon jól akklimatizálódtak, és maximálisan pedáloztattuk őket 6300 m magasságban, miközben 14% oxigént lélegeztünk be. Így ugyanolyan ihletett PO2-t kaptak, mint a csúcson. Az oxigénfelvétel szintje ilyen körülmények között körülbelül 1 L/perc volt, ami szánalmasan alacsony maximális oxigénfogyasztás, és egyenértékű azzal, mintha valaki lassan sétálna a síkon. Ez azonban nyilvánvalóan éppen elegendő ahhoz, hogy egy hegymászó elérje a csúcsot.

A szerzők hozzájárulása

JW írta a kéziratot, elolvasta és jóváhagyta a benyújtott változatot.

Kérdések összeférhetetlenségi nyilatkozata

A szerző kijelenti, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezte, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.