Ruimtevaart-, hoogte en luchtvaartfysiologie

Technologische verbeteringen brengen de noodzaak met zich mee dat er een groot begrip moet zijn van de effecten van hoogte, lage zuurstofspanning, grote versnellingen, gewichtloosheid etc op het menselijk lichaam. In dit artikel wordt genoemde problematiek beschreven.

Effecten van een lage zuurstofspanning op het menselijk lichaam
Een daling in druk is de belangrijkste oorzaak van hypoxie op grote hoogte. Op hoogte daalt de barometrische druk en daalt de zuurstofspanning proportioneel. De alveolaire PO2 daalt ook door de aanwezigheid van meer koolstofdioxide en waterdamp.
• Koolstofdioxide. De alveolaire PCO2 is op zeeniveau ongeveer 40mm Hg. In een geacclimatiseerde persoon kan de alveolaire PCO2 dalen tot 7mm Hg.
• Waterdamp druk. In de alveoli blijft de waterdamp druk altijd 47mm Hg wanneer de lichaamstemperatuur gelijk blijft. Dit is onafhankelijk van de hoogte waar men verblijft.
Koolstofdioxide en waterdamp verlagen de alveolaire zuurstofspanning. De barometrische druk op de top van de Mount Everest (ruim 8000 meter) is 253mm Hg; 47mm Hg is waterdamp, 206mm Hg zijn andere gassen. In een geacclimatiseerd persoon moet dat 7mm Hg koolstofdioxide zijn. Wanneer het lichaam geen zuurstof zou gebruiken zou een vijfde deel van 199mm Hg zuurstof en viervijfde deel stikstof zijn. De PO2 van zuurstof in de alveoli zou 40mm Hg zijn. Een deel van deze zuurstof zou geabsorbeerd worden door in het bloed. Hierdoor is de PO2 in de alveoli op de top van de Mount Everest ongeveer 35mm Hg.
Inademing van 100% zuurstof verhoogt de arteriële zuurstofspanning op hoogte.
• Inademing van lucht. Tot een hoogte van ongeveer 3000 meter is de arteriële zuurstofverzadiging van het bloed ongeveer 90%; het daalt progressief tot 70% op een hoogte van ongeveer 6000 meter.
• Inademing van pure zuurstof. Waneer pure zuurstof wordt ingeademd, vult de ruimte die voorheen werd ingenomen door stikstof zich met zuurstof. Op 10000 meter kan iemand die pure zuurstof inademt een alveolaire PO2 hebben van 138mm Hg, terwijl deze zonder zuurstof 18mm Hg zou zijn.
Een persoon die dagen, weken en jaren op grote hoogte verblijft, raak steeds meer geacclimatiseerd aan de lage PO2. Acclimatisatie maakt het mogelijk om harder te werken zonder hypoxie te ontwikkelen, of om op nog grotere hoogte te kunnen werken. Acclimatisatie wordt bereikt door de volgende processen:
• Toegenomen pulmonaire ventilatie.
• Grotere synthese van rode bloedcellen.
• Gestegen diffusiecapaciteit van de longen.
• Toegenomen vascularisatie van de weefsels.
• Gestegen vermogen van de cellen om zuurstof gebruiken.

De pulmonaire ventilatie kan stijgen met een factor vijf bij een geacclimatiseerd persoon. De pulmonaire ventilatie kan maar 65% stijgen bij een persoon die niet geacclimatiseerd is. Acute blootstelling aan een hypoxische omgeving laat de alveolaire ventilatie met een 65% stijgen. Wanneer deze persoon een aantal dagen op grote hoogte verblijft, neemt de ventilatie gestaag toe met gemiddeld een factor 5.
• Acute stijging van de pulmonaire ventilatie. De onmiddellijke 65% stijging van de pulmonaire ventilatie zorgt ervoor dat grote hoeveelheden koolstofdioxide het lichaam verlaten. Hierdoor neemt de pH in het lichaam toe. Door deze aanpassingen wordt het respiratoire centrum geinhibeerd en wordt het effect van een lage PO2 om de perifere respiratoire chemoreceptoren te stimuleren geinhibeerd.
• Chronische stijging van de pulmonaire ventilatie. De acute inhibitie verdwijnt binnen 2 tot 5 dagen. Hierdoor kan het respiratoire centrum volledig reageren en kan de ventilatie met een factor 5 toenemen. De daling van de inhibitie is hoofdzakelijk het resultaat van een reductie van de bicarbonaation concentratie in de cerebrospinale vloeistof. Dit verlaagt de pH in de omringende vloeistof welke de chemosensitieve neuronen van het respiratoire centrum omgeeft. Hierdoor neemt de activiteit van het centrum toe.
• Hematocriet en het bloedvolume nemen toe tijdens acclimatisatie. Hypoxie is de belangrijkste stimulus voor de toename van de rode bloedcelproductie. Bij een volledige acclimatisatie aan een lage zuurstofspanning kan het hematocriet toenemen van een normale waarde van 40-45% tot een gemiddelde van 60%. De stijging van het hemoglobine is proportioneel aan de toename van het hematocriet. Ook neemt het bloedvolume met 20-30% toe. Het resultaat is een toename van hemoglobine van gemiddeld 50%. Deze toename van hemoglobine start na ongeveer 2 weken. Na ongeveer een maand is de toename van hemoglobine 25%. De toename van hemoglobine is pas volledig na enkele maanden.
De pulmonaire diffusiecapaciteit kan na acclimatisatie drie keer zo groot worden. De normale diffusiecapaciteit over het pulmonaire membraan is ongeveer 21ml/mm Hg/min. De volgende factoren dragen bij aan de toename na acclimatisatie:
• Het toegenomen pulmonaire capillaire bloedvolume rekt de capillairen en vergroot de oppervlakte waarover zuurstof kan diffunderen in het bloed.
• Toegenomen longvolume vergroot de oppervlakte van het alveolaire membraan.
• Toegenomen pulmonaire arteriële druk perst bloed in meer alveolaire capillairen, met name in de bovenste delen van de long, welke onder normale omstandigheden een slechte perfusie kennen.
Chronische hypoxie vergroot het aantal capillairen in de weefsels. Het HartMinuutVolume kan direct met 30% toenemen wanneer men naar grote hoogte stijgt, maar neemt weer af wanneer het hematocriet stijgt. De hoeveelheid zuurstof die naar de weefsels getransporteerd wordt blijft dus ongeveer gelijk. Het aantal capillairen in de weefsels neemt toe, met name bij mensen die op grote hoogte worden geboren en opgroeien. De vascularisatie is met name in actieve weefsels opvallend. Iemand die te lang op grote hoogte verblijft, kan chronische hoogteziekte ontwikkelen. De volgende effecten kunnen bijdragen aan hoogteziekte: (1) de rode bloedcelmassa en hematocriet worden extreem hoog; (2) de pulmonaire arteriële druk neemt meer toe, dan normaal; (3) de rechter harthelft wordt zeer groot; (4) de perifere arteriële druk daalt; (5) hartfalen treedt op; (6) soms kan de dood intreden. Afdalen is de remedie.

Gewichtloosheid in de ruimte
Er bestaan fysiologische problemen bij gewichtloosheid. De meeste problemen kennen een relatie met de drie effecten van gewichtloosheid: (1) bewegingsziekte tijdens de eerste dagen; (2) translocatie van vloeistof in het lichaam door het afwezig zijn van de zwaartekracht en (3) afgenomen fysieke activiteit. De fysiologische effecten van een langdurig verblijf in de ruimte zijn:
• Afgenomen bloedvolume
• Afgenomen rode bloedcelmassa
• Spierzwakte en werkcapaciteit
• Afgenomen hartminuutvolume
• Verlies van calcium en fosfaat en daardoor verlies van botmassa
De fysiologische consequenties van langdurige gewichtloosheid zijn de vergelijken met langdurige bedlegerigheid. Daarom worden uitgebreide oefenprogramma’s tijdens perioden van gewichtloosheid uitgevoerd. Hierdoor worden de meeste effecten van gewichtloosheid (met uitzondering van verlies van botmassa) tegen gegaan.
Zonder deze trainingsprogramma’s bestaat het gevaar dat wanneer astronauten terugkeren naar aarde ze frequent flauwvallen en niet op hun benen kunnen staan.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Natuurkundige principes van gaswisseling

Longen en ademhaling

Longcirculatie en longoedeem

Functies van de luchtwegen; trachea, bronchi en bronchiolen

Regulatie van de ademhaling

Respiratoire insufficiëntie

Transport in bloed en weefsels

Ademen en inspanning

Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology,  Elsevier Inc