Fizjologia lotnicza

Fizjologia lotnicza to nauka o wpływie dużych wysokości na organizm, takich jak różne ciśnienia i poziomy tlenu. Na różnych wysokościach organizm może reagować w różny sposób, zwiększając pojemność minutową serca i wytwarzając więcej erytrocytów . Zmiany te powodują większe straty energii w organizmie, powodując zmęczenie mięśni, ale zmienia się to w zależności od poziomu wysokości.

Skutki wysokości

Fizyka, która wpływa na ciało na niebie lub w kosmosie, jest inna niż na ziemi. Na przykład ciśnienie barometryczne jest różne na różnych wysokościach. Na poziomie morza ciśnienie barometryczne wynosi 760 mmHg; na wysokości 3,048 m n.p.m. ciśnienie barometryczne wynosi 523 mmHg, a na wysokości 15,240 m ciśnienie barometryczne wynosi 87 mmHg. Wraz ze ciśnienia barometrycznego spada również atmosferyczne ciśnienie cząstkowe . Ciśnienie to jest zawsze poniżej 20% całkowitego ciśnienia barometrycznego. Na poziomie morza ciśnienie cząstkowe tlenu w pęcherzykach płucnych wynosi 104 mmHg i sięga 6000 metrów nad poziomem morza. Ciśnienie to spadnie do 40 mmHg u osoby nieaklimatyzowanej, ale u osoby zaaklimatyzowanej spadnie nawet o 52 mmHg. Dzieje się tak dlatego, że wentylacja pęcherzykowa wzrośnie bardziej u osoby zaaklimatyzowanej. Fizjologia lotnictwa może również obejmować skutki u ludzi i zwierząt narażonych przez długi czas w kabinach ciśnieniowych

Innym głównym problemem związanym z wysokością jest niedotlenienie, spowodowane zarówno brakiem ciśnienia barometrycznego, jak i spadkiem tlenu w miarę wznoszenia się ciała. Przy ekspozycji na większych wysokościach ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla w pęcherzykach płucnych (PCO ₂ ) spada z 40 mmHg (poziom morza) do niższych poziomów. U osoby zaaklimatyzowanej do poziomu morza wentylacja wzrasta około pięciokrotnie, a ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla spada do 6 mmHg. Na wysokości 3040 metrów wysycenie krwi tętniczej tlenem wzrasta do 90%, ale na tej wysokości wysycenie krwi tętniczej tlenem spada gwałtownie aż o 70% (6000 m), a na większych wysokościach maleje jeszcze bardziej.

siły g

Siły przeciążenia są najczęściej doświadczane przez ciało podczas lotu, zwłaszcza lotu z dużą prędkością i podróży kosmicznych. Obejmuje to dodatnią siłę g, ujemną siłę g i zerową siłę g, spowodowaną prostym przyspieszeniem, opóźnieniem i przyspieszeniem dośrodkowym. Kiedy samolot skręca, przyspieszenie dośrodkowe jest określone przez ƒ=mv2/r. Oznacza to, że jeśli prędkość wzrasta, siła przyspieszenia dośrodkowego również rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości.

Kiedy lotnik zostanie poddany dodatniej sile przeciążenia podczas przyspieszania, krew przesunie się do dolnej części ciała, co oznacza, że jeśli siła przeciążenia zostanie zwiększona, ciśnienie krwi w żyłach wzrośnie. Oznacza to, że mniej krwi dociera do serca, co wpływa na jego zdolność do funkcjonowania, przy zmniejszonym krążeniu.

Skutki ujemnej siły przeciążenia mogą być bardziej niebezpieczne, powodując przekrwienie, a także epizody psychotyczne. W kosmosie siły G są bliskie zeru, co nazywa się mikrograwitacją, co oznacza, że osoba unosi się we wnętrzu naczynia. Dzieje się tak, ponieważ grawitacja działa w równym stopniu na statek kosmiczny i na ciało, oba są przyciągane z tymi samymi siłami przyspieszenia i również w tym samym kierunku.

Niedotlenienie (medyczne)

Efekty ogólne

Niedotlenienie występuje, gdy krwiobiegu brakuje tlenu. W środowisku lotniczym dzieje się tak, ponieważ tlenu jest mało lub nie ma go wcale. Zmniejsza się zdolność do pracy organizmu, zmniejsza się ruchomość wszystkich mięśni (mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego). Spadek zdolności do pracy związany jest ze spadkiem prędkości transportu tlenu. Niektóre ostre skutki niedotlenienia obejmują: zawroty głowy, rozluźnienie, zmęczenie psychiczne, zmęczenie mięśni i euforię. Skutki te dotkną osobę nie zaaklimatyzowaną startującą na wysokości 3650 m n.p.m. Efekty te będą się nasilać i mogą powodować skurcze lub konwulsje na wysokości 5500 metrów, a na wysokości 7000 metrów zakończą się śpiączką.

Choroba alpinistyczna

Jednym z rodzajów zespołu związanego z niedotlenieniem jest choroba alpinistyczna. Niezaaklimatyzowana osoba, która przebywa przez znaczną ilość czasu na dużej wysokości, może rozwinąć wysokie erytrocyty i hematokryt . Ciśnienie tętnicze w płucach wzrośnie, nawet jeśli osoba jest zaaklimatyzowana, co objawia się rozszerzeniem prawej strony serca. Obwodowe ciśnienie tętnicze spada, co prowadzi do zastoinowej niewydolności serca i śmierci, jeśli ekspozycja jest wystarczająco długa. Efekty te są spowodowane zmniejszeniem liczby erytrocytów, co powoduje znaczny wzrost lepkości krwi. Powoduje to zmniejszenie przepływu krwi w tkankach, przez co zmniejsza się dystrybucja tlenu. Zwężenie spowodowane niedotlenieniem prawej części serca. Skurcze tętniczek obejmują większą część przepływu krwi przez naczynia płucne, powodując zwarcie w przepływie krwi, powodując zmniejszenie ilości tlenu we krwi. Osoba wyzdrowieje, jeśli zostanie podany tlen lub zostanie zabrana na małą wysokość.

Choroby alpinistyczne i obrzęk płuc występują najczęściej u osób, które szybko wspinają się na dużą wysokość. Choroba ta rozpoczyna się od kilku godzin do dwóch lub trzech dni po wejściu na dużą wysokość. Istnieją dwa przypadki: ostry obrzęk mózgu i ostry obrzęk płuc. Pierwsza jest spowodowana rozszerzeniem naczyń mózgowych spowodowanym niedotlenieniem; drugi jest spowodowany zwężeniem naczyń tętniczek płucnych, spowodowanym niedotlenieniem.

Adaptacja do środowisk o niskiej zawartości tlenu

Niedotlenienie jest głównym bodźcem zwiększającym liczbę erytrocytów, podnoszącym hematokryt od 40 do 60%, przy wzroście stężenia hemoglobiny we krwi od 15 g/dl do 20–21 g/dl. Również objętość krwi wzrasta o 20%, powodując wzrost poziomu hemoglobiny ustrojowej o 15% lub więcej. Osoba, która przebywa przez pewien czas na wyższych wysokościach, aklimatyzuje się, powodując mniej skutków dla ludzkiego organizmu. Istnieje kilka mechanizmów wspomagających aklimatyzację, do których należą: zwiększenie wentylacji płuc, zwiększenie liczby erytrocytów, zwiększenie pojemności dyfuzyjnej płuc oraz zwiększenie unaczynienia tkanek obwodowych.

Receptory chemiczne w tętnicach są stymulowane przez ekspozycję na niskie ciśnienie parcjalne, a tym samym zwiększają wentylację pęcherzykową maksymalnie 1,65 razy. Niemal natychmiast zaczyna się kompensacja większej wysokości wraz ze wzrostem wentylacji płucnej, eliminującej dużą ilość CO ₂ . Zmniejsza się ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla i wzrasta pH płynów ustrojowych. Działania te hamują ośrodek oddechowy pnia mózgu, ale później to zahamowanie zanika i ośrodek oddechowy reaguje na pobudzenie obwodowych receptorów chemicznych w wyniku niedotlenienia zwiększającego wentylację nawet sześciokrotnie.

Rzut serca wzrasta do 30% po wzniesieniu się osoby na dużą wysokość, ale zmniejszy się z powrotem do normalnego poziomu, w zależności od wzrostu hematokrytu. Ilość tlenu, która trafia do tkanek obwodowych, jest względnie normalna. Pojawia się również choroba zwana „angiogenią”.

Nerki reagują na niskie ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla zmniejszając wydzielanie jonów wodorowych i zwiększając wydalanie wodorowęglanów . Ta zasadowica oddechowa zmniejsza stężenie HCO3 i przywraca pH osocza do normalnego poziomu. Ośrodek oddechowy reaguje na stymulację obwodowych receptorów chemicznych wytwarzanych przez niedotlenienie po przywróceniu zasadowicy przez nerki.

Linki zewnętrzne