Воздействие большой высоты на человека в основном является следствием пониженного парциального давления кислорода в атмосфере. Медицинские проблемы, являющиеся прямым следствием большой высоты, вызваны низким вдыхаемым парциальным давлением кислорода, которое вызвано пониженным атмосферным давлением, и постоянной газовой долей кислорода в атмосферном воздухе в диапазоне, в котором люди могут выжить. [1] Другой важный эффект высоты обусловлен более низкой температурой окружающей среды.
Насыщение гемоглобина кислородом определяет содержание кислорода в крови . После того, как человеческое тело достигает высоты около 2100 метров (6900 футов) над уровнем моря, насыщенность оксигемоглобина начинает быстро снижаться. [2] Однако организм человека имеет как краткосрочную, так и долгосрочную адаптацию к высоте, которая позволяет ему частично компенсировать недостаток кислорода. Существует предел уровня адаптации; Альпинисты называют высоты выше 8000 метров (26000 футов) зоной смерти , где обычно считается, что ни один человеческий организм не может акклиматизироваться . [3] [4] [5] [6] На экстремальных высотах давление окружающей среды может упасть ниже давления паров воды при температуре тела, но на таких высотах даже чистый кислород при атмосферном давлении не может поддерживать жизнь человека, и скафандр необходимо. Быстрая разгерметизация до низкого давления на больших высотах может вызвать высотную декомпрессионную болезнь .
Физиологические реакции на большую высоту включают гипервентиляцию , полицитемию , увеличение плотности капилляров в мышцах и гипоксическую легочную вазоконстрикцию – повышение уровня внутриклеточных окислительных ферментов. Существует целый ряд реакций на гипоксию на клеточном уровне, о чем свидетельствует открытие факторов, индуцирующих гипоксию (HIF), которые определяют общие реакции организма на кислородное голодание. Физиологические функции на большой высоте не являются нормальными, а данные также свидетельствуют о нарушении нейропсихологических функций, что приводит к несчастным случаям в альпинизме и авиации. [1] Методы смягчения воздействия высокогорной среды включают обогащение воздуха для дыхания кислородом и/или повышение давления в закрытой среде. [1] Другие последствия пребывания на большой высоте включают обморожение , переохлаждение , солнечные ожоги и обезвоживание .
Тибетцы и жители Анд представляют собой две группы, которые относительно хорошо адаптированы к жизни на большой высоте, но демонстрируют заметно разные фенотипы . [1]
Человеческое тело может работать лучше всего на уровне моря [7] , где атмосферное давление составляет 101 325 Па или 1013,25 миллибар (или 1 атм , по определению). Концентрация кислорода (О 2 ) в воздухе на уровне моря составляет 20,9%, поэтому парциальное давление О 2 (pO 2 ) составляет 21,136 килопаскалей (158,53 мм рт. ст.). У здоровых людей это насыщает гемоглобин — красный пигмент, связывающий кислород в эритроцитах . [8]
Атмосферное давление уменьшается по барометрической формуле с высотой , в то время как доля O 2 остается постоянной примерно до 100 км (62 миль), поэтому pO 2 также уменьшается с высотой. Это примерно половина его значения на уровне моря на высоте 5000 м (16 000 футов), высоте базового лагеря Эвереста , и только треть на высоте 8 848 м (29 029 футов), вершине горы Эверест . [9] Когда pO 2 падает, организм реагирует акклиматизацией к высоте. [10]
Горная медицина выделяет три высотных региона, которые отражают пониженное количество кислорода в атмосфере: [11]
Путешествие в каждый из этих высотных регионов может привести к медицинским проблемам: от легких симптомов острой горной болезни до потенциально смертельного высотного отека легких ( HAPE ) и высотного отека мозга ( HACE ). Чем выше высота, тем больше риск. [12] Врачи экспедиций обычно имеют запас дексаметазона для лечения этих заболеваний на месте. [13] Исследования также указывают на повышенный риск необратимого повреждения головного мозга у людей, поднимающихся на высоту более 5500 м (18 045 футов). [14]
Людей, у которых развилась острая горная болезнь, иногда можно идентифицировать до появления симптомов по изменениям в гормонах водного баланса, регулирующих солевой и водный обмен. У людей, предрасположенных к развитию высотного отека легких, может отмечаться снижение выработки мочи до того, как станут очевидными респираторные симптомы.[15]
Люди выжили в течение двух лет на высоте 5950 м (19 520 футов, 475 миллибар атмосферного давления), что является самой высокой зарегистрированной постоянно допустимой высотой; самое высокое известное постоянное поселение, Ла-Ринконада , находится на высоте 5100 м (16700 футов). [16]
На высоте более 7500 м (24 600 футов, 383 миллибар атмосферного давления) сон становится очень трудным, переваривание пищи становится практически невозможным, а риск HAPE или HACE значительно возрастает. [12] [17] [18]
Зона смерти в альпинизме (первоначально « летальная зона ») была впервые сформулирована в 1953 году Эдуардом Висс-Дюнаном , швейцарским врачом и альпинистом. [19] Это относится к высотам выше определенной точки, где количество кислорода недостаточно для поддержания человеческой жизни в течение длительного периода времени. Эта точка обычно обозначается как 8000 м (26 000 футов, менее 356 миллибар атмосферного давления). [20] Все 14 вершин в зоне смерти выше 8000 м, называемые восьмитысячниками , расположены в горных хребтах Гималаи и Каракорум .
Многие случаи смерти в высотном альпинизме были вызваны воздействием зоны смерти, либо непосредственно в результате потери жизненно важных функций, либо косвенно в результате неправильных решений, принятых в условиях стресса или физического ослабления, приводящих к несчастным случаям. В зоне смерти организм человека не может акклиматизироваться. Длительное пребывание в зоне смерти без дополнительного кислорода приведет к ухудшению функций организма, потере сознания и, в конечном итоге, к смерти. [3] [4] [5]
На высоте 19 000 м (63 000 футов) атмосферное давление достаточно низкое, чтобы вода кипела при нормальной температуре человеческого тела . Эта высота известна как предел Армстронга . Воздействие давления ниже этого предела приводит к быстрой потере сознания с последующей серией изменений сердечно-сосудистых и неврологических функций и, в конечном итоге, к смерти, если давление не восстановится в течение 60–90 секунд. [21]
Даже ниже предела Армстронга резкое снижение атмосферного давления может вызвать образование венозных пузырьков газа и декомпрессионную болезнь . Внезапное изменение давления на уровне моря на такое низкое давление, как давление на высоте 5500 м (18 000 футов), может вызвать высотную декомпрессионную болезнь. [22]
Человеческий организм может адаптироваться к большой высоте посредством как непосредственной, так и долгосрочной акклиматизации. На большой высоте кратковременно ощущается недостаток кислорода каротидными тельцами , что вызывает увеличение глубины и частоты дыхания ( гиперпноэ ). Однако гиперпноэ также вызывает неблагоприятный эффект в виде респираторного алкалоза , препятствуя дыхательному центру увеличивать частоту дыхания настолько, насколько это необходимо. Неспособность увеличить частоту дыхания может быть вызвана неадекватной реакцией сонных артерий или заболеванием легких или почек. [2] [23]
Кроме того, на большой высоте сердце бьется быстрее ; ударный объем несколько уменьшен; [24] и подавляются несущественные функции организма, что приводит к снижению эффективности переваривания пищи (поскольку организм подавляет пищеварительную систему в пользу увеличения своих сердечно-легочных резервов). [25]
Полная акклиматизация требует дней или даже недель. Постепенно организм компенсирует респираторный алкалоз за счет почечной экскреции бикарбоната, обеспечивая адекватное дыхание для обеспечения кислорода без риска алкалоза. На любой высоте этот процесс занимает около четырех дней и может быть усилен такими лекарствами, как ацетазоламид . [23] В конце концов, в организме происходят физиологические изменения, такие как снижение выработки лактата (поскольку снижение распада глюкозы уменьшает количество образующегося лактата), уменьшение объема плазмы , повышение гематокрита ( полицитемия ), увеличение массы эритроцитов , более высокая концентрация капилляров в скелетных мышцах. ткани, увеличение миоглобина , увеличение митохондрий , увеличение концентрации аэробных ферментов, увеличение 2,3-БФГ , гипоксическая легочная вазоконстрикция и гипертрофия правого желудочка . [2] [26] Давление в легочной артерии увеличивается, чтобы насытить кровь кислородом.
Полная гематологическая адаптация к большой высоте достигается, когда рост эритроцитов достигает плато и прекращается. Продолжительность полной гематологической адаптации можно приблизительно определить, умножив высоту в километрах на 11,4 дня. Например, для адаптации к высоте 4000 метров (13000 футов) потребуется 45,6 дней. [27] Верхний предел высоты этой линейной зависимости полностью не установлен. [6] [16]
Даже после акклиматизации длительное пребывание на большой высоте может помешать беременности и вызвать задержку внутриутробного развития или преэклампсию . [28] Большая высота вызывает снижение притока крови к плаценте даже у акклиматизированных женщин, что препятствует росту плода. [28] Следовательно, дети, рожденные на больших высотах, в среднем рождаются ниже ростом, чем дети, рожденные на уровне моря. [29]
По оценкам, 81,6 миллиона человек живут на высоте более 2500 метров (8200 футов). [30] Генетические изменения были обнаружены у высокогорных групп населения в Тибете в Азии, Андах Америки и Эфиопии в Африке. [31] Эта адаптация означает необратимые, долгосрочные физиологические реакции на высокогорную среду, связанные с наследственными поведенческими и генетическими изменениями . Коренные жители этих регионов хорошо себя чувствуют в самых высоких частях мира. Эти люди претерпели обширные физиологические и генетические изменения, особенно в системах регуляции кислородного дыхания и кровообращения , по сравнению с населением равнин в целом. [32] [33]
По сравнению с акклиматизированными пришельцами коренное население Анд и Гималаев имеет лучшую оксигенацию при рождении, увеличенный объем легких на протяжении всей жизни и более высокую способность к физическим нагрузкам. [1] Тибетцы демонстрируют устойчивое увеличение мозгового кровотока, повышенную вентиляцию в состоянии покоя, более низкую концентрацию гемоглобина (на высоте ниже 4000 метров) [34] и меньшую восприимчивость к хронической горной болезни (ХГБ). [1] [35] Андские жители обладают аналогичным набором адаптаций, но демонстрируют повышенную концентрацию гемоглобина и нормальную вентиляцию в состоянии покоя. [36] Эти адаптации могут отражать более длительную историю высокогорного проживания в этих регионах. [37] [38]
Меньшая смертность от сердечно-сосудистых заболеваний наблюдается у жителей высокогорья. [39] Аналогичным образом, существует взаимосвязь «доза-реакция» между увеличением высоты и снижением распространенности ожирения в Соединенных Штатах. [40] Это объясняется не только миграцией. [41] С другой стороны, люди, живущие на возвышенностях, также имеют более высокий уровень самоубийств в Соединенных Штатах. [42] Корреляция между ростом и риском самоубийства присутствовала даже тогда, когда исследователи учитывали известные факторы риска самоубийства, включая возраст, пол, расу и доход. Исследования также показали, что уровень кислорода вряд ли может быть фактором, учитывая, что нет никаких признаков увеличения нарушений настроения на большой высоте у людей с апноэ во сне или у заядлых курильщиков на большой высоте. Причина повышенного риска самоубийств пока неизвестна. [42]
Смягчение последствий может осуществляться за счет дополнительного кислорода, повышения давления в среде обитания или защитного костюма или их комбинации. Во всех случаях критическим эффектом является повышение парциального давления кислорода в дыхательном газе. [1]
Воздух в помещении на высоте может обогащаться кислородом без возникновения неприемлемой опасности возгорания. На высоте 8000 м эквивалентная высота с точки зрения парциального давления кислорода может быть снижена до уровня ниже 4000 м без увеличения пожарной опасности по сравнению с нормальным атмосферным воздухом на уровне моря. На практике это можно сделать с помощью концентраторов кислорода. [43]
На температуру окружающего воздуха предсказуемо влияет высота, и это также оказывает физиологическое воздействие на людей, находящихся на большой высоте. Температурные эффекты и их смягчение по своей сути не отличаются от температурных эффектов, вызванных другими причинами, но эффекты температуры и давления являются кумулятивными.
Температура атмосферы снижается с градиентом , главным образом вызванным конвекцией и адиабатическим расширением воздуха при понижении давления. [44] На вершине Эвереста средняя летняя температура составляет -19 °C (-2 °F), а средняя зимняя температура составляет -36 °C (-33 °F). [45] При таких низких температурах опасность для человека представляет обморожение и переохлаждение . Обморожение — это повреждение кожи , возникающее при воздействии экстремально низких температур, вызывающее обморожение кожи или других тканей [46] , обычно поражающее области пальцев рук , ног , носа , ушей , щек и подбородка . [47] Гипотермия определяется как температура тела человека ниже 35,0 °C (95,0 °F). [48] Симптомы варьируются от дрожи и спутанности сознания, [49] до галлюцинаций и остановки сердца . [48]
Помимо холодовых травм, вдыхание холодного воздуха может вызвать обезвоживание , поскольку воздух нагревается до температуры тела и увлажняется за счет влаги тела. [15]
Существует также более высокий риск солнечных ожогов из-за меньшего блокирования ультрафиолета более разреженной атмосферой. [50] [51] Количество UVA увеличивается примерно на 9% с каждым увеличением высоты на 1000 метров (3300 футов). [52] Симптомы солнечного ожога включают красную или красноватую кожу, горячую на ощупь или болезненную , общую усталость и легкое головокружение . Другие симптомы включают образование волдырей , шелушение кожи , отек, зуд и тошноту.
Для спортсменов большая высота оказывает два противоречивых эффекта на производительность. Для взрывных видов спорта (спринт на 400 метров, прыжки в длину, тройной прыжок) снижение атмосферного давления означает меньшее сопротивление со стороны атмосферы, и результаты спортсмена, как правило, будут лучше на большой высоте. [53] В соревнованиях на выносливость (забеги на 800 метров и более) преобладающим эффектом является снижение содержания кислорода, что обычно снижает работоспособность спортсмена на большой высоте. [54] Одним из способов оценить это снижение является мониторинг VO 2 max, измерения максимальной способности человека использовать O 2 во время напряженных физических упражнений. У неакклиматизированного человека VO 2 max начинает значительно снижаться на умеренной высоте, начиная с высоты 1500 метров и снижаясь на 8–11 процентов на каждые последующие 1000 метров. [55]
Спортивные организации признают влияние высоты на производительность: например, руководящий орган по легкой атлетике , World Athletics , постановил, что результаты, достигнутые на высоте более 1000 метров, будут одобрены для целей установления мировых рекордов , но имеют пометку Буква «А» означает, что они были установлены на высоте.
Летние Олимпийские игры 1968 года проходили на высоте в Мехико . Здесь были побиты мировые рекорды в большинстве коротких спринтов и прыжков. В преддверии этих Олимпийских игр были установлены и другие рекорды на высоте. Рекорд Боба Бимона в прыжках в длину держался почти 23 года и был побит только один раз без помощи высоты и ветра . Многие другие рекорды, установленные в Мехико, позже были побиты рекордами, установленными на высоте.
Соревнования по легкой атлетике проводились ежегодно в Сестриере , Италия, с 1988 по 1996 год, а затем в 2004 году. Преимущество его большой высоты в спринтерских соревнованиях и прыжках давало надежду на мировые рекорды, а спонсор Ferrari предлагал автомобиль в качестве бонуса. [56] [57] Один рекорд был установлен в прыжках с шестом среди мужчин Сергеем Бубкой в 1994 году; [57] Мужские и женские рекорды в прыжках в длину также были побиты, но этому способствовал ветер . [58]
Спортсмены также могут воспользоваться акклиматизацией на высоте, чтобы улучшить свои результаты. [10] Те же изменения, которые помогают организму справляться с большой высотой, повышают производительность на уровне моря. Однако это может быть не всегда так. Любой положительный эффект акклиматизации может быть сведен на нет эффектом детренированности, поскольку спортсмены обычно не могут тренироваться с такой же интенсивностью на больших высотах по сравнению с уровнем моря. [59]
Эта загадка привела к разработке метода высотных тренировок, известного как «Живи-Высоко, Тренируйся-Низко», при котором спортсмен проводит много часов в день, отдыхая и спит на одной (большой) высоте, но выполняет значительную часть своей тренировки, возможно, все это на другой (более низкой) высоте. Серия исследований, проведенных в штате Юта в конце 1990-х годов, показала значительный прирост производительности у спортсменов, которые следовали такому протоколу в течение нескольких недель. [59] [60] Другое исследование, проведенное в 2006 году, показало повышение производительности за счет простого выполнения некоторых тренировок на большой высоте, но проживания на уровне моря. [61]
Эффект повышения производительности от тренировок на высоте может быть обусловлен увеличением количества эритроцитов, [62] более эффективными тренировками, [63] или изменениями в физиологии мышц. [64] [65]
В 2007 году ФИФА наложила кратковременный мораторий на международные футбольные матчи, проводимые на высоте более 2500 метров над уровнем моря, фактически запретив избранным стадионам в Боливии, Колумбии и Эквадоре принимать отборочные матчи чемпионата мира , включая их столицы. [66] В своем постановлении исполнительный комитет ФИФА особо сослался на то, что, по их мнению, является несправедливым преимуществом, которым обладают команды хозяев, акклиматизированные к высоте. Запрет был отменен в 2008 году. [66]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite report}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )