Hipoksyczna odpowiedź wentylacyjna
Hipoksyczna odpowiedź wentylacyjna ( HVR ) to wzrost wentylacji wywołany niedotlenieniem , który umożliwia organizmowi pobieranie i transport niższych stężeń tlenu z większą szybkością. Początkowo jest podwyższony u mieszkańców nizin, którzy podróżują na duże wysokości, ale z czasem znacznie się zmniejsza, gdy ludzie się aklimatyzują . W antropologii biologicznej HVR odnosi się również do adaptacji człowieka do stresów środowiskowych wynikających z dużej wysokości.
U ssaków HVR wywołuje kilka mechanizmów fizjologicznych. Jest to bezpośredni skutek spadku ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej i prowadzi do wzmożonej wentylacji. Organizm ma różne sposoby radzenia sobie z ostrym niedotlenieniem. Ssaki, które polegają na wentylacji płuc, zwiększą swoją wentylację, aby uwzględnić brak tlenu docierającego do tkanek. Ssaki doświadczą również spadku metabolizmu tlenowego i zapotrzebowania na tlen, wraz ze wzrostem produkcji ATP .
Mechanizmy fizjologiczne różnią się efektem i przebiegiem w czasie. HVR jest zależny od czasu i można go podzielić na dwie fazy: pierwsza (0–5 minut) wzrostu wentylacji i druga (5–20 minut) powolnego spadku.
Początkowy wzrost wentylacji z HVR inicjowany jest przez tętnice szyjne , które znajdują się obustronnie w porcie krążenia mózgowego . Ciała tętnic szyjnych zawierają komórki wrażliwe na tlen, które stają się bardziej aktywne w odpowiedzi na niedotlenienie. Wysyłają dane wejściowe do pnia mózgu , które są następnie przetwarzane przez ośrodki oddechowe . Inne mechanizmy obejmują czynniki indukowane niedotlenieniem , zwłaszcza HIF1 . Zmiany hormonalne były również związane z HVR, szczególnie te, które wpływają na funkcjonowanie ciał szyjnych.
Ponieważ HVR jest odpowiedzią na zmniejszoną dostępność tlenu, ma te same czynniki środowiskowe, co niedotlenienie. Takie prekursory obejmują podróżowanie do miejsc położonych na dużych wysokościach i życie w środowisku o wysokim poziomie tlenku węgla . W połączeniu z klimatem HVR może wpływać na kondycję i nawodnienie . Szczególnie w przypadku mieszkańców nizin, którzy pokonują ponad 6000 metrów wysokości, granicę długotrwałego narażenia człowieka na niedotlenienie, HVR może skutkować hiperwentylacją i ostatecznie pogorszeniem stanu organizmu. Zużycie tlenu jest ograniczone do maksymalnie 1 litra na minutę.
Podróżnicy zaaklimatyzowani na dużych wysokościach wykazują wysoki poziom HVR, ponieważ zapewnia to korzyści, takie jak zwiększone spożycie tlenu, zwiększona sprawność fizyczna i psychiczna oraz mniejsza podatność na choroby związane z dużą wysokością. Adaptacje w populacjach żyjących na dużych wysokościach wahają się od kulturowych do genetycznych i różnią się w zależności od populacji. Na przykład Tybetańczycy żyjący na dużych wysokościach mają bardziej wrażliwą reakcję wentylacyjną na niedotlenienie niż ludy andyjskie żyjące na podobnych wysokościach, mimo że obie populacje wykazują większą wydolność tlenową w porównaniu z nizinnikami. Przyczyna tej różnicy jest najprawdopodobniej genetyczna, chociaż mogą się również przyczynić czynniki rozwojowe.
Fizjologia
Ostra hipoksyjna odpowiedź wentylacyjna
Ostra odpowiedź (AR)
Pierwszy etap odpowiedzi oddechowej na hipoksję składa się z początkowej reakcji na niedotlenione środowisko, prowadzącej do szczytu znanego jako krótkotrwałe wzmocnienie (STP). Proces ten jest indukowany spadkiem tlenu we krwi. Komórki kłębuszkowe typu I ciał szyjnych wykrywają zmianę poziomu tlenu i uwalniają neuroprzekaźniki w kierunku nerwu zatoki szyjnej, co z kolei stymuluje mózg, co ostatecznie skutkuje zwiększoną wentylacją. Okres zwiększonej wentylacji jest różny u różnych osób, ale zwykle trwa mniej niż dziesięć minut.
Krótkotrwałe wzmocnienie (STP)
STP to wzrost wentylacji po ostrej odpowiedzi hipoksji i ewentualny powrót wentylacji do stanu równowagi po stymulacji nerwu zatoki szyjnej , co powoduje zwolnienie częstości akcji serca. Ten mechanizm trwa zwykle od jednej do dwóch minut. STP jest najbardziej widoczne w objętości oddechowej lub amplitudzie wyjścia neuronów przepony .
Krótkotrwała depresja (STD)
STD to chwilowy skok częstości oddechów na początku aferentnej stymulacji chemioterapii tętnicy szyjnej lub tymczasowy spadek częstości oddechów na końcu aferentnej stymulacji chemioterapii. Mechanizm ten trwa od kilku sekund do kilku minut. STP stwierdzono tylko w częstotliwości oddechowej stymulacji nerwu przeponowego, która powoduje skurcz przepony .
Odpowiedź wentylacyjna na utrzymującą się hipoksję
Ciągła obecność w niedotlenionym środowisku przez ponad 24 godziny prowadzi do stałego przepływu wentylacji. Ta przypadkowość w środowisku powoduje hipokapnię , która zmniejsza wentylację .
Przewlekła hipoksyjna odpowiedź wentylacyjna
Przewlekłe niedotlenienie powoduje dalsze zmiany fizjologiczne spowodowane czynnikiem transkrypcyjnym czynnika indukowanego hipoksją (HIF). HIF jest dimerem złożonym z podjednostek HIF-1α i HIF-1β. HIF-1α normalnie nie jest w stanie wiązać się z HIF-1β. Jednak niższe ciśnienie parcjalne tlenu indukuje potranskrypcyjną modyfikację HIF-1α, umożliwiając HIF-1α dimeryzację z HIF-1β, tworząc HIF-1. HIF-1 indukuje wiele zmian fizjologicznych, które pomagają organizmowi przystosować się do mniejszej dostępności tlenu, w tym angiogenezę , zwiększoną produkcję erytropoetyny i promowanie beztlenowców metabolizm.
Neurologia
Układ nerwowy odgrywa kluczową rolę w niedotlenionej odpowiedzi wentylacyjnej. Proces ten jest wyzwalany przez obwodowy układ nerwowy niskiego poziomu tlenu we krwi. W szczególności wykazano , że glutaminian neuroprzekaźnika ma bezpośrednią korelację ze wzrostem wentylacji. W badaniu przeprowadzonym na psach zbadano, jak ich układ sercowo-naczyniowy reaguje na różne poziomy tlenu przed i po podaniu MK-801 , który jest antagonistą glutaminianu. W przypadku MK-801 nastąpił zauważalny spadek zarówno częstości akcji serca, jak i liczby oddechów na minutę pod niedotlenieniem. Według badania fakt, że HVR zmniejszył się, gdy glutaminian został zahamowany, pokazuje, że glutaminian jest niezbędny do odpowiedzi.
Adaptacja na dużych wysokościach
Populacje zamieszkujące wysokości powyżej 2500 metrów przystosowały się do niedotlenienia środowiska. Przewlekłe HVR to zestaw adaptacji występujących w większości populacji ludzkich, które historycznie występowały w regionach położonych na dużych wysokościach, w tym na Płaskowyżu Tybetańskim , Andyjskim Altiplano i Płaskowyżu Małpim . W sumie na takich obszarach mieszka do 140 milionów ludzi, chociaż nie wszyscy posiadają te przystosowania. Populacje, które na stałe osiedliły się na dużych wysokościach, nie wykazują praktycznie żadnej reakcji na ostre niedotlenienie . Wykazano, że mieszkańcy Andów i Himalajów przystosowali się do niedotlenienie od urodzenia do lat noworodkowych w postaci większych płuc i większej powierzchni wymiany gazowej. Tę odpowiedź można przypisać czynnikom genetycznym, ale na rozwój odporności na ostrą hipoksję duży wpływ ma narażenie danej osoby na dużą wysokość; podczas gdy genetyczne odgrywają nieokreśloną rolę w HVR danej osoby, ponieważ migranci długoterminowi nie wykazują zmniejszenia swoich reakcji na duże wysokości, nawet po długim życiu na dużych wysokościach, rozbieżność sugeruje, że reakcja na HVR jest połączeniem narażenia środowiskowego i czynniki genetyczne.
Antropologia
populacje
Andyjczycy
Ludy andyjskie są jedną z trzech centralnych badanych populacji, które mają zmniejszoną HVR. Populacje te zamieszkują w szczególności obszary w Andów i wokół niego , które ma średnią wysokość 13 000 stóp (4000 m). HVR badano u mieszkańców Cusco w Peru, leżącego na wysokości 11 000 stóp (3400 m). Życie na tak dużych wysokościach doprowadziło do adaptacji kulturowych, w tym do spożycia herbaty z koki . Herbata z koki to ekstrakt wytwarzany przez gotowanie liści rośliny koki w wodzie i zawiera pobudzającą kokainę . Andyjczycy od tysiącleci używali herbaty z koki w leczeniu ostrej choroby wysokościowej i do dziś jest ona podawana osobom podróżującym do wysoko położonych regionów Peru, chociaż jej skuteczność jest kwestionowana. W badaniu z 2010 roku opublikowanym w Journal of Travel Medicine , spożycie herbaty z koki było w rzeczywistości związane ze wzrostem częstości występowania choroby wysokościowej doświadczanej przez podróżnych odwiedzających miasto Cusco w Peru.
Stwierdzono, że odpowiedź wentylacyjna jest znacznie mniej wyraźna w populacjach andyjskich niż u Tybetańczyków, przy czym reakcja HVR Tybetańczyków jest mniej więcej dwukrotnie większa niż u Andów na wysokości około 4000 metrów (13 000 stóp). Adaptacje wysokościowe wydają się również mniej trwałe niż te obserwowane w populacjach tybetańskich, ponieważ Andyjczycy mają znacznie częstsze występowanie przewlekłej choroby górskiej (CMS), w której organizm przez wiele lat rozwija szkodliwą reakcję na niski poziom tlenu.
Tybetańczycy
Tybetańczycy to grupa etniczna pochodząca z Tybetu , zamieszkująca Wyżynę Tybetańską . Żyją na wysokościach do 15 000 stóp (4600 m), dlatego są niezwykle interesujące dla naukowców badających HVR w populacjach na dużych wysokościach. Jedną z tych populacji są Szerpowie , grupa Tybetańczyków, poszukiwana ze względu na swoją wiedzę i umiejętność poruszania się po Himalajach . W przeszłości Szerpowie byli zatrudniani do kierowania wyprawami na Mount Everest , ale od tego czasu praktyka spadła w świetle wykorzystywania przewodników Szerpów. Energia i łatwość, z jaką Szerpowie wspinają się i schodzą po górach, wynika z ich zdolności do wydajniejszego wykorzystywania tlenu. Ta zdolność do doskonalenia się w alpinizmie zmieniła ich kulturę wokół tego. Turystyka stała się siłą napędową dochodów finansowych Szerpów. Szerpowie są w stanie zarobić znacznie więcej, działając jako przewodnicy ze względu na swoją lokalną wiedzę i umiejętności wspinaczkowe.
Dowody genetyczne sugerują, że ludy tybetańskie oddzieliły się od większej populacji Chińczyków Han w dowolnym czasie około 1000 pne do 7000 pne Biorąc pod uwagę znaczące mutacje w genie EPAS1 , które przyczyniają się do odporności Tybetańczyków na chorobę wysokościową , sugeruje to, że ekstremalna presja ewolucyjna na narody tybetańskie spowodowała jeden z najszybszych efektów doboru naturalnego obserwowanych w populacji ludzkiej. Przystosowania Tybetańczyków do ich odpowiedzi oddechowej na hipoksję współdziałają z innymi adaptacjami w celu promowania udanej reprodukcji. Na przykład Tybetańczycy rozwinęli większe nasycenie tlenem w okresie niemowlęcym, co prowadzi do niższego wskaźnika śmiertelności dzieci niż w populacjach nieprzystosowanych na wysokościach.
Amhara
Lud Amhara zamieszkuje centralne i północne wyżyny Etiopii w regionie Amhara , gdzie wysokość waha się od 1500 m (4921 stóp) do 4550 m (14928 stóp) . Przez ponad 5000 lat ludzie żyli w pobliżu gór Simien na wysokościach powyżej 3000 m n.p.m. i przez ten czas genetycznie przystosowali się do warunków hipoksji panujących na dużych wysokościach .