Воздействие большой высоты на человека в основном является следствием пониженного парциального давления кислорода в атмосфере. Медицинские проблемы, которые являются прямым следствием большой высоты, вызваны низким вдыхаемым парциальным давлением кислорода, которое вызвано пониженным атмосферным давлением, и постоянной газовой фракцией кислорода в атмосферном воздухе в диапазоне, в котором человек может выжить. [1] Другим важным эффектом высоты является более низкая температура окружающей среды.
Насыщение гемоглобина кислородом определяет содержание кислорода в крови. После того, как организм человека достигает высоты около 2100 метров (6900 футов) над уровнем моря, насыщение оксигемоглобина начинает быстро снижаться. [2] Однако у человеческого организма есть как краткосрочная, так и долгосрочная адаптация к высоте, которая позволяет ему частично компенсировать недостаток кислорода. Существует предел уровня адаптации; альпинисты называют высоты выше 8000 метров (26000 футов) зоной смерти , где, как обычно считается, 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 давлении окружающей среды не может поддерживать жизнь человека, и необходим скафандр. Быстрая разгерметизация до низкого давления больших высот может вызвать высотную декомпрессионную болезнь .
Физиологические реакции на большую высоту включают гипервентиляцию , полицитемию , повышенную плотность капилляров в мышцах и гипоксическую легочную вазоконстрикцию – повышенные внутриклеточные окислительные ферменты. Существует ряд реакций на гипоксию на клеточном уровне, показанных открытием факторов, индуцируемых гипоксией (HIF), которые определяют общие реакции организма на нехватку кислорода. Физиологические функции на большой высоте не являются нормальными, и данные также показывают нарушение нейропсихологической функции, которое было замешано в альпинизме и авиакатастрофах. [1] Методы смягчения последствий высокогорной среды включают обогащение кислородом вдыхаемого воздуха и/или повышение давления в закрытой среде. [1] Другие последствия большой высоты включают обморожение , гипотермию , солнечные ожоги и обезвоживание .
Тибетцы и андийцы — это две группы, которые относительно хорошо адаптированы к большой высоте, но демонстрируют заметно разные фенотипы . [1]
Человеческое тело может функционировать лучше всего на уровне моря , [7] где атмосферное давление составляет 101 325 Па или 1013,25 миллибар (или 1 атм , по определению). Концентрация кислорода (O 2 ) в воздухе на уровне моря составляет 20,9%, поэтому парциальное давление O 2 (pO 2 ) составляет 21,136 килопаскалей (158,53 мм рт. ст.). У здоровых людей это насыщает гемоглобин , связывающий кислород красный пигмент в эритроцитах . [8]
Атмосферное давление уменьшается с высотой, следуя барометрической формуле , в то время как фракция O 2 остается постоянной примерно до 100 км (62 миль), поэтому pO 2 также уменьшается с высотой. Оно составляет около половины своего значения на уровне моря на высоте 5000 м (16 000 футов), высоте базового лагеря Эвереста , и только треть на высоте 8848 м (29 029 футов), вершине горы Эверест . [9] Когда pO 2 падает, организм реагирует акклиматизацией к высоте. [10]
Международное общество горной медицины выделяет три высотных региона, которые отражают пониженное количество кислорода в атмосфере: [11]
Путешествие в каждый из этих высокогорных регионов может привести к медицинским проблемам, от легких симптомов острой горной болезни до потенциально фатального высотного отека легких ( HAPE ) и высотного отека мозга ( HACE ). Чем выше высота, тем выше риск. [12] Врачи экспедиций обычно запасаются дексаметазоном для лечения этих состояний на месте. [13] Исследования также указывают на повышенный риск постоянного повреждения мозга у людей, поднимающихся на высоту более 5500 м (18 045 футов). [14]
Людей, у которых развивается острая горная болезнь, иногда можно определить до появления симптомов по изменениям в гормонах баланса жидкости, регулирующих солевой и водный обмен. У людей, предрасположенных к развитию высотного отека легких, может наблюдаться снижение выработки мочи до того, как станут очевидными респираторные симптомы. [15]
Люди выживали в течение двух лет на высоте 5950 м (19 520 футов, 475 миллибар атмосферного давления), что является самой высокой зарегистрированной постоянно переносимой высотой; самое высокое известное постоянное поселение, Ла-Ринконада , находится на высоте 5100 м (16 700 футов). [16]
На высоте более 7500 м (24 600 футов, 383 миллибар атмосферного давления) сон становится очень трудным, переваривание пищи практически невозможным, а риск возникновения отека легких или высокогорного отёка лёгких значительно возрастает. [12] [17] [18]
Зона смерти в альпинизме (первоначально летальная зона ) была впервые придумана в 1953 году Эдуардом Висс-Дюнаном , швейцарским врачом и альпинистом. [19] Она 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 Гималаев и Каракорума .
Многие смерти в высокогорном альпинизме были вызваны воздействием зоны смерти, либо напрямую из-за потери жизненно важных функций, либо косвенно из-за неправильных решений, принятых в состоянии стресса или физического ослабления, что привело 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 закипела при нормальной температуре человеческого тела . Эта высота известна как предел Армстронга . Воздействие давления ниже этого предела приводит к быстрой потере сознания, за которой следует ряд изменений сердечно-сосудистых и неврологических функций, и в конечном итоге к смерти, если давление не будет восстановлено в течение 60–90 секунд. [21]
Даже ниже предела Армстронга резкое снижение атмосферного давления может вызвать образование пузырьков венозного газа и декомпрессионную болезнь . Внезапное изменение давления от давления на уровне моря до давления на высоте 5500 м (18 000 футов) может вызвать декомпрессионную болезнь, вызванную высотой. [22]
Человеческое тело может адаптироваться к большой высоте как посредством немедленной, так и долгосрочной акклиматизации. На большой высоте в краткосрочной перспективе недостаток кислорода ощущается каротидными тельцами , что приводит к увеличению глубины и частоты дыхания ( гиперпноэ ). Однако гиперпноэ также вызывает неблагоприятный эффект респираторного алкалоза , препятствуя дыхательному центру увеличивать частоту дыхания настолько, насколько это необходимо. Неспособность увеличить частоту дыхания может быть вызвана неадекватной реакцией каротидных тельцев или легочным или почечным заболеванием. [2] [23]
Кроме того, на большой высоте сердце бьется быстрее ; ударный объем немного уменьшается; [24] а неосновные функции организма подавляются, что приводит к снижению эффективности переваривания пищи (поскольку организм подавляет пищеварительную систему в пользу увеличения своих кардиопульмонарных резервов). [25]
Полная акклиматизация занимает несколько дней или даже недель. Постепенно организм компенсирует респираторный алкалоз путем почечной экскреции бикарбоната, что позволяет адекватному дыханию обеспечивать кислород без риска алкалоза. Это занимает около четырех дней на любой заданной высоте и может быть усилено такими препаратами, как ацетазоламид . [23] В конечном итоге организм претерпевает физиологические изменения, такие как снижение выработки лактата (потому что снижение распада глюкозы снижает количество образующегося лактата), снижение объема плазмы , повышение гематокрита ( полицитемия ), увеличение массы эритроцитов , повышение концентрации капилляров в скелетной мышечной ткани, повышение миоглобина , повышение митохондрий , повышение концентрации аэробных ферментов, повышение 2,3-БФГ , гипоксическая легочная вазоконстрикция и гипертрофия правого желудочка . [2] [26] Давление в легочной артерии увеличивается в попытке насытить больше крови кислородом.
Полная гематологическая адаптация к большой высоте достигается, когда увеличение количества эритроцитов достигает плато и останавливается. Продолжительность полной гематологической адаптации можно приблизительно рассчитать, умножив высоту в километрах на 11,4 дня. Например, для адаптации к высоте 4000 метров (13 000 футов) потребуется 45,6 дня. [27] Верхний предел высоты этой линейной зависимости не был полностью установлен. [6] [16]
Даже при акклиматизации длительное воздействие большой высоты может помешать беременности и вызвать задержку внутриутробного развития или преэклампсию . [28] Большая высота вызывает снижение притока крови к плаценте , даже у акклиматизированных женщин, что мешает 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 в высокогорных группах 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 регуляторных системах кислородного дыхания и кровообращения , по сравнению с общим населением равнин. [32] [33]
По сравнению с акклиматизировавшимися новичками, коренные жители Анд и Гималаев имеют лучшую оксигенацию при рождении, увеличенный объем легких на протяжении всей жизни и более высокую способность к физическим упражнениям. [1] У тибетцев наблюдается устойчивое увеличение мозгового кровотока, повышенная вентиляция легких в состоянии покоя, более низкая концентрация гемоглобина (на высоте ниже 4000 метров) [34] и меньшая восприимчивость к хронической горной болезни (ХГБ). [1] [35] У жителей Анд схожий набор адаптаций, но они демонстрируют повышенную концентрацию гемоглобина и нормальную вентиляцию легких в состоянии покоя. [36] Эти адаптации могут отражать более длительную историю проживания на большой высоте в этих регионах. [37] [38]
Более низкий уровень смертности от сердечно-сосудистых заболеваний наблюдается у жителей, проживающих на больших высотах. [39] Аналогичным образом, зависимость «доза-реакция» существует между увеличением высоты и снижением распространенности ожирения в Соединенных Штатах. [40] Это объясняется не только миграцией. [41] С другой стороны, люди, проживающие на больших высотах, также имеют более высокий уровень самоубийств в Соединенных Штатах. [42] Корреляция между высотой и риском самоубийства присутствовала даже тогда, когда исследователи контролировали известные факторы риска самоубийств, включая возраст, пол, расу и доход. Исследования также показали, что уровень кислорода вряд ли является фактором, учитывая, что нет никаких указаний на повышенные нарушения 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 может быть достигнуто за счет дополнительного кислорода, герметизации среды обитания или защитного костюма окружающей среды, или комбинации того и другого. Во всех случаях критическим эффектом является повышение парциального давления кислорода в дыхательном газе. [1]
Воздух в помещении на высоте может быть обогащен кислородом без возникновения неприемлемой пожарной опасности. На высоте 8000 м эквивалентная высота с точки зрения парциального давления кислорода может быть снижена до менее 4000 м без увеличения пожарной опасности сверх опасности обычного атмосферного воздуха на уровне моря. На практике это можно сделать с помощью кислородных концентраторов. [43]
Температура окружающего воздуха предсказуемо зависит от высоты, и это также оказывает физиологическое воздействие на людей, подвергающихся воздействию больших высот. 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 понижается с градиентом , в основном из-за конвекции и адиабатического расширения воздуха при уменьшении давления. [44] На вершине горы Эверест средняя летняя температура составляет −19 °C (−2 °F), а средняя зимняя температура составляет −36 °C (−33 °F). [45] При таких низких температурах обморожение и гипотермия становятся рисками для людей. Обморожение — это повреждение кожи , которое возникает при воздействии экстремально низких температур, вызывая замерзание кожи или других тканей, [46] обычно поражая области рук , ног , носа , ушей , щек и подбородка . [47] Гипотермия определяется как температура ядра тела ниже 35,0 °C (95,0 °F) у людей. [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, содержащейся в организме. [15]
Также существует более высокий риск солнечных ожогов из-за сниженной блокировки ультрафиолета более тонкой атмосферой. [50] [51] Количество UVA увеличивается примерно на 9% с каждым увеличением высоты на 1000 метров (3300 футов). [52] Симптомы солнечных ожогов включают красную или красноватую кожу , которая горячая на ощупь или болезненная , 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 до 400 метров, прыжки в длину, тройной прыжок) снижение атмосферного давления означает, что сопротивление со стороны атмосферы меньше, и производительность спортсмена, как правило, будет лучше на большой высоте. [53] Для видов спорта на выносливость (гонки на 800 метров и более) преобладающим эффектом является снижение кислорода, что, как правило, снижает производительность спортсмена на большой высоте. [54] Один из способов измерить это снижение — это мониторинг VO2 max , измерения максимальной способности человека использовать O2 во время напряженных упражнений. Для неакклиматизированного человека VO2 max начинает значительно снижаться на умеренной высоте, начиная с 1500 метров и падая на 8–11 процентов на каждые дополнительные 1000 метров. [55]
Спортивные организации признают влияние высоты на результаты: 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 будут иметь обозначение «A», указывающее, что они были установлены на высоте.
Летние Олимпийские игры 1968 года проводились на высоте в Мехико . Там были побиты мировые рекорды по большинству коротких спринтов и прыжков. В преддверии этих Олимпийских игр на высоте были установлены и другие рекорды. Рекорд Боба Бимона по прыжкам в длину держался почти 23 года и был побит только один раз без помощи высоты или ветра . Многие другие рекорды, установленные в Мехико, позже были побиты рекордами, установленными на высоте.
Ежегодно в Сестриере , Италия, с 1988 по 1996 год и снова в 2004 году проводились элитные легкоатлетические соревнования. Преимущество большой высоты в беге на короткие дистанции 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 повысить свою производительность. [10] Те же изменения, которые помогают организму справляться с большой высотой, повышают производительность на уровне моря. Однако это может быть не всегда так. Любые положительные эффекты акклиматизации могут быть сведены на нет эффектом детренированности, поскольку спортсмены обычно не могут тренироваться с такой же интенсивностью на больших высотах по сравнению с уровнем моря. [59]
Эта головоломка привела к разработке метода тренировок на высоте, известного как «Жить-Высоко, тренироваться-Низко», при котором спортсмен проводит много часов в день, отдыхая и спив на одной (высокой) высоте, но выполняет значительную часть своих тренировок, возможно, всю их, на другой (более низкой) высоте. Серия исследований, проведенных в Юте в конце 1990-х годов, показала значительный прирост производительности у спортсменов, которые следовали такому протоколу в течение нескольких недель. [59] [60] Другое исследование 2006 года показало прирост производительности от простого выполнения некоторых сеансов упражнений на большой высоте, при этом живя на уровне моря. [61]
Эффект повышения производительности при тренировках на высоте может быть обусловлен увеличением количества эритроцитов в крови [62] , более эффективными тренировками [63] или изменениями в физиологии мышц. [64] [65]
В 2007 году ФИФА ввела кратковременный мораторий на проведение международных футбольных матчей на высоте более 2500 метров над уровнем моря, фактически запретив некоторым стадионам в Боливии, Колумбии и Эквадоре принимать отборочные матчи чемпионата мира , включая их столицы. [66] В своем постановлении исполнительный комитет ФИФА конкретно сослался на то, что, по их мнению, было несправедливым преимуществом, которым обладали домашние команды, акклиматизировавшиеся 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 )