Deguonies kiekio atmosferoje priklausomybė nuo vietovės aukščio virš jūros lygio

Deguonies trūkumą kūnas pajunta greitai. Pirmiausia, judėjimas tokiame aukštyje reikalauja nežmoniškų pastangų – lyg bristum per tirštą sirupą, kvėpuodamas per šiaudelį. Siekdami kompensuoti žemą deguonies lygį, kvėpuojate greičiau ir giliau, šis reiškinys vadinamas hipoksiniu ventiliaciniu atsaku. Širdies plakimo dažnis ir kraujo spaudimas išauga, tai gali sukelti gyvybei pavojingus susirgimus, o būtent, aukštikalnių plaučių ir smegenų edemą, kai skystis iš ląstelių užpildo ertmes plaučiuose ir smegenyse.

Bet pamažu prie deguonies trūkumo prisitaikoma: jūsų kūnas ima gaminti papildomus raudonuosius kraujo kūnelius (eritrocitus) ir hemoglobiną – baltymą, su kraujo tėkme pernešantį deguonį ląstelėms, kur šis panaudojamas energijos gamybai. Tai padidina ląstelių gaunamo deguonies kiekį ir leidžia širdžiai apsiraminti, kraujo spaudimui nukristi, kvėpuoti lengviau ir atlikinėti atletinius pratimus, pavyzdžiui, kopti į kalną.

Bent jau taip priimta manyti. Bet CASE komandos narys Hugh Montgomery'is, UCL Žmogaus sveikatos ir veiklos instituto direktorius, suabejojo ar hemoglobino kiekio išaugimas yra efektyviausias būdas tvarkytis su hipoksija, ar tik kūno reakcija. Jis pažymi, kad tokios pat reakcijos padeda susitvarkyti netekus kraujo. Gal, pajutęs deguonies stygių, kūnas įjungia pokyčių virtinę, kuri iš pat pradžių buvo skirta susidoroti su sužeidimais. Tai tikrai būtų evoliuciškai pagrįsta. Juk sužeidimai buvo paplitęs pavojus mūsų protėviams, kai tuo tarpu po kalnus kopinėjančių buvo labai mažai.

Yra daug priežasčių, kodėl hemoglobino pagausėjimas nėra geriausias būdas dorotis su hipoksija, sako Montgomery'is, juolab, tai deguonies tiekimo smarkiai nepadidina. Taip yra todėl, kad aukštai kalnuose skystyje gali ištirpti mažiau dujų. Tai smarkiai apriboja į kraują galinčio patekti deguonies kiekį, kad ir koks aukštas hemoglobino kiekis būtų. „Vien raudonųjų kraujo kūnelių masės padidėjimas nereiškia, kad jūsų ląstelės gauna daugiau deguonies,“ pažymi Montgomery'is.

Be to, hemoglobino gamybos padidinimas kelia daug grėsmių. „Jis paverčia kraują koše,“ sako Montgomery'is. „Tai nėra gerai. Tai tikra papjūtis jūsų mikrocirkuliacinei sistemai.“ Dėl tirštesnio kraujo išauga insulto grėsmė, o visa tai reiškia labai prastą prisitaikymą gyvenimui aukštai.

Evoliucionavo aukštam gyvenimui

Panašu, jog išaugęs hemoglobino kiekis yra hipoksijos pašalinis poveikis, o ne sprendimas. Daugiau įrodymų pateikia Tibeto plokščiakalnyje gyvenantys žmonės. Per kelis pastaruosius dešimtmečius kinų iš žemyninės Kinijos (Han kinų) migracija į plokščiakalnį pradėjo natūralų adaptacijos skirtumų tarp žemumų gyventojų ir tūkstančius metų gyvenusiųjų tokiame aukštyje eksperimentą.

Dešimtajame dešimtmetyje Lorna Moore ir kolegos iš Kolorado universiteto tyrė nėštumą ir gimdymus plokščiakalnyje – kritinius periodus, žiūrint iš evoliucijos perspektyvos. Pasirodė, kad, panašiai, kai ir vakariečiai Evereste, kinų moterys besilaukdamos gamino daugiau hemoglobino, dėl ko padidėdavo tirštesnio kraujo sukeliami pašaliniai poveikiai, tarp kurių insultas ir trombozė. Pakilęs kraujospūdis padidina ir eklampsijos riziką.

Tai ryškus kontrastas su nėščiųjų tibetiečių fiziologija, kurių hemoglobino lygis nepakilęs – panašus į žmonių, gyvenančių jūros lygyje. Dėl to tibetietėms rečiau gimsta negyvagimiai ir neišnešioti kūdikiai, nei kinėms tokiame aukštyje. Taip pat jų naujagimiai gimsta sunkesni (American Journal of Human Biology, vol 13, p 635).

Paslaptingai, visų tibetiečių kraujyje deguonies lygis stulbinančiai žemas, tačiau, atrodo, jo pakanka kūnams aprūpinti gyvybine energija sveikam gyvenimui. Panašu, populiacijoje, kasdien susiduriančioje su hipoksija, evoliucija išvengė tiršto kraujo keliamų pavojų, kitaip kovodama su dusinančiomis sąlygomis.

Tokius atradimus sustiprina naujausi darbai, rodantys tiesioginę atranką genams, kontroliuojantiems tibetiečių hemoglobino lygį. Rasmusas Nielsenas iš Kalifornijos universiteto Berklyje ir tyrėjai iš Kinijos mokslų akademijos Pekine, palygino 50-ies tibetiečių DNR, gyvenančių kaimuose, įsikūrusiuose 4300 ir 4600 metrų aukštyje su 40-ies Han kinų, gyvenančių Pekine, vos 43 metrais aukščiau jūros lygio. Didžiausias DNR skirtumas buvo šalia geno EPAS1, reguliuojančio hemoglobino gamybą. Jis pakitęs 87 procentams tibetiečių ir tik 9 procentams kinų. Tolesni tyrimai dar parodė ir skirtumų EGLN1 gene, koduojančiame baltymą, svarbų kūno deguonies lygio reguliavimui ir PPARA, kuris irgi reguliuoja hemoglobino gamybą (Science, vol 329, p 75).

Konverguojantys keliai

Genetinė adaptacija prie žemesnio deguonies lygio stebima ir kitoje aukštai gyvenančioje populiacijoje: amharų, gyvenusių apie 70 000 metų Etiopijos Simieno kalnuose iki 3800 metrų aukštyje. Įdomu, Cynthia Beall iš Case Western Reserve universiteto Klyvlende, Ohajaus valstijoje, išsiaiškino, kad panašiai, kaip ir tibetiečių, amharų kraujyje hemoglobino kiekis normalus, bet jį nulemia mutacijos kituose genuose. „Viskas rodo, kad tai konverguojanti evoliucija,“ sako ji. „Viename lygyje – biologinio atsako – jie yra vienodi. Kitame lygyje – genomo pokyčių – jie yra skirtingi.“

Šiosos dvi nepriklausomai evoliucionavusios ir išvysčiusios skirtingus hemoglobino gamybos, kaip atsako į žemą deguonies lygį ribojimo būdus, populiacijos tikrai prideda svorio minčiai apie vadovėliuose pateikiamų hipoksijos aprašymų permąstymo būtinybę. Kaip bebūtų, svarbu pažymėti, kad ne visose aukštai gyvenančiose populiacijose išsivystė tokie pokyčiai, kaip tibetiečiams ar amharams. Pavyzdžiui, Anduose gyvenančių žmonių hemoglobino lygis aukštas, kaip Han kinų ar Vakarų alpinistų. Tad, nenuostabu, kad jie dažniau, nei tibetiečiai, kenčia nuo tokių problemų, kaip aukštas kraujospūdis, aritmija ir pervargimas.

Reikės dar daug nuveikti, norint tiksliai suprasti, kaip visos šios populiacijos tvarkosi su žemu deguonies lygiu ir kaip tos žinios gali būti panaudotos medicininėje praktikoje. Daug ligų, pažeidžiančių kvėpavimo ir širdies kraujagyslių sistemas, sumažina kūno organų gaunamo deguonies kiekį ir sukelia hipoksiją. Kol kas labai sunku išsiaiškinti, kaip kūnas reaguoja į šį procesą ligoninėje – ar kaip padidinti išgyvenimo galimybes. Montgomery'is pažymi, kad „norint išvilioti atsako kelius, reikia žmonėms sukelti hipoksiją ir išlaikyti pakankamai ilgai, kad būtų galima išsiaiškinti, kaip jie prisitaiko“ – neypatingai etiškas eksperimentas bandymui laboratorijoje ar su pacientais.

Anksčiau dauguma intesyvios terapijos pastangų būdavo nukreipta į deguonies tiekimo pagerinimą. Bet faktas, kad tibetiečiai gali nuolatos gyvena su žemu deguonies lygiu kraujyje, nepatirdami jokių negalavimų, gali parodyti kitus šios problemos sprendimo būdus.

Vienas galimas atsakymas kyla iš atradimo, kad tibetiečių kraujyje neįprastai aukštas azoto oksido lygis. Jis atpalaiduoja kraujagysles, per tą patį laiką leisdamas didesniam kraujo kiekiui pratekėti kūnu. Kartu su gilesniu ir dažnesniu kvėpavimu tai galėtų paaiškinti, kaip tibetiečiai perduoda savo audiniams pakankamai deguonies. Jei taip, CASE tyrėjai tikisi galėsiantys panaudoti šio proceso supratimą deguonies tiekimo ligoninių pacientams pagerinimui.

Kita CASE komandos tiriama susidorojimo su aukščiu paslaptis glūdi efektyvesniame deguonies naudojime, per pakitusį metabolizmą. Pirmoje CASE komandos ekspedicijoje į Everestą, Denny'is Levettas bazinėje stovykloje paėmė 17-os alpinistų raumenų mėginius ir nusiuntė juos Andrewiui Murray'jui į Kembridžo universitetą. Iš pavyzdžių paaiškėjo, kad pirmosiomis dienomis bazinėje stovykloje raumenų ląstelės atidėdavo šiek tiek mitochondrijų atsargai, tikriausiai tam, kad jeigu sąlygos pasidarytų mažiau hipoksiškos, galėtų jas vėl naudoti. Tačiau po kelių savaičių ląstelės prarado 20 procentų turėtų mitochondrijų (FASEB Journal, vol 26, p 1431). „Šis netikėtas atradimas rodo, kad, trūkstant deguonies, raumenys paaukoja dalį savo energijos reikalaujančių funkcijų tam, kad galėtų išlaikyti kitas,“ sako Murray.

Tokie pokyčiai gali būti žygeivių ir alpinistų kopimo aukštyn aklimatizacijos proceso dalis. Bet ar ji atspindi tai, kas nutiko žmonėms, kurie evoliucionavo kad susidorotų su žemu deguonies lygiu? Šiais metais Murray'aus komanda atliko panašų eksperimentą, siekdama palyginti žemumų gyventojų raumenis su šerpų prieš ir po aklimatizacijos. Rezultatai kol kas neparuošti, bet jis spėja, kad šerpams išsivystė apsauga nuo ląstelių funkcijų susilpnėjimo, kas galėtų paaiškinti geresnį jų veikimą būnant aukštai.

Ar įmanoma sukelti panašius metabolinius pakitimus ligoninių pacientams? „Tokia gydymo kryptimi stengiamasi padėti kūnui sumažinti deguonies panaudojimą užuot, kaip anksčiau, didinandami tiekimą,“ paaiškina Montgomery'is.

Mechanizmo supratimas taip pat gali nušviesti pacientų ilgalaikį sveikimą ribojančius faktorius. Tiek žemumų gyventojams kopiant į Everestą, tiek ligoninių pacientams dėl hipoksijos dažnai sparčiai krenta svoris. Apetito praradimas logiškas, jei metabolizmas sulėtėja, kad būtų sumažinamas deguonies suvartojimas, bet tokie pokyčių atsistatymas, sąlygoms sunormalėjus, gali ilgai užtrukti, o tai remia idėją, kad hipoksija paverčia kūną liesą mišinį naudojančiu varikliu. „Aštuoniasdešimt procentų darbingo amžiaus žmonių negali grįžti į darbą metus po išėjimo iš intensyvios terapijos skyriaus. Iš jų nebūna nieko likę,“ sako Montgomery.

Svorio netekimas yra ypatinga problema žmonėms, sergantiems kvėpavimo ligomis, pavyzdžiui, LOPL. Kadangi šerpams netenka mokėti tokios pačios metabolinės kainos, esant hipoksijai, kaip žemumų gyventojams, skirtumų supratimas gali padėti susitvarkyti su simptomais, tikisi Murray'us.

Tai yra potencialiai pirmoji iš daugelio tyrimo krypčių, kai CASE komanda imsis darbo su pastarosios savo kelionės atradimais. Aišku viena, – dar tik pradedame suprasti žmogaus kūno galimybes evoliucionuoti ir prisitaikyti prie ekstremalių sąlygų. Todėl po 60-ies metų nuo pirmojo užkopimo, dramatiškos mūsų pastangos ant Everesto tebeatskleidžia naujus horizontus.

Žuvingas sprendimas

Prisitaikymo prie hipoksijos istorija daug senesnė už mūsų rūšį. Po deguonies atsiradimo atmosferoje prieš 2,45 milijardus metų, buvo keli anoksijos atvejai, ypač vandenynuose. Gyvybei teko surasti būdų susidoroti su mažiau deguonies – kai kurios rūšys tebegyvena ir dabar.

Kai temperatūra nukrenta ir užšąla tvenkiniai, paprastieji karosai (Carassius carassius) išgyvena anoksines sąlygas iš dalies sulėtindami savo metabolizmą, bet daugiausia naudodami metabolinį triuką: anaerobinį kvėpavimą. Žuvys per vasarą sukauptas glikogeno atsargas verčia gliukoze ir etanoliu, taip gaudamos energiją. Naudodami tokį būdą, karosai gali išgyventi iki 140 dienų.

Karosų smegenyse yra didelės glikogeno atsargos, o tai išgąsdina darinėtojus, nepasiruošusius žuvies gebėjimui išgyventi keletą valandų po širdies atskyrimo.

Etanolio gamyba kaip šalutinis hipoksijos produktas kai kuriems alpinistams gali patikti. JK baristas ir alpinistas Terry'is Mooney'is kartą pareiškė, kad jei kopimas į kalnus primena ėjimą į darbą pagiringam, geriausia treniruotė kopimui į Everestą turėtų būti kuo dažnesnis lankymasis bare.

Ed Douglas

New Scientist, № 2921