Lidská výkonnost a omezení: Hypoxie I.
V minulém článku Iluze: Black hole jsme se krátce pozastavili nad vlivem hypoxie na zrakové vnímání, zejména v noci. Hypoxie je stav, kdy je v krevním oběhu nedostatek kyslíku. V široké i odborné veřejnosti je vznik hypoxie často přisuzován pouhému pohybu ve vysoké hladině, kde je nižší tlak okolního vzduchu a tím i parciální tlak (tlak jedné směsi, v tomto případě kyslíku). Ovšem existuje spousta dalších proměnných, které hrají roli ve schopnosti dopravy kyslíku krví do mozku. Dopad na zrakové vnímání také není jediným symptomem hypoxie. Krutou skutečností je, že hypoxie může vést k bezvědomí až úmrtí posádky plíživě a téměř bez povšimnutí.
Okénko do fyziky
Přeskočíme řadu leteckých nehod dopravních letadel a zejména kluzáků při letu ve vlně ve vysoké hladině (např. v Jeseníkách 12.10.2019 a 3.11.2019) a ponoříme se rovnou do problematiky. Jak již nám bylo v základní škole vtloukáno do hlavy, zemská atmosféra se skládá z:
dusíku (N2 - 78,08 %),
kyslíku (O2 - 20,92 %),
argonu (0,93 %),
oxidu uhličitého (CO2 - 0,03 %), a
dalších plynů (neon, helium, krypton, xenon, hydrogen a amoniak - 0,04 %).
Procentuální zastoupení těchto plynu je pro všechny výšky dostupné pro konvekční letadla stejný.
Z fyziky také víme, že tlak vzduchu je větší na hladině moře než na vrcholu Mt. Everestu, kde je zhruba třetinový. Víme také, že tlak s výškou neklesá lineárně, ale exponenciálně. Z toho plyne, že tlakový gradient (změna tlaku na 100 m) je na hladině moře větší než ve vyšší hladině. Zatímco na hladině moře klesne tlak o 1 hPa přibližně každých 27 ft, tak například v hladině 30 000 ft, ztratíme každých 27 ft pouze 0,4 hPa. Pro vlastní potřeby a pro potřeby teoretických testů je dobré vědět v jaké hladině je určitý poměr tlaku vůči nadmořské hladině:
Graf závislosti atmosférického tlaku na nadmořské výšce.
8 000 ft (≈ 2,5 km) = ¾ tlaku na hladině moře,
18 000 ft (≈ 5,5 km) = ½ tlaku na hladině moře,
36 000 ft (≈ 11 km) = ¼ tlaku na hladině moře,
Klasifikace hypoxie
Podle místa, kde dochází k poruše přenosu kyslíku (tzv. Barcroftovo schéma) rozdělujeme 4 hlavní druhy hypoxie:
hypoxická;
anemická;
stagnační;
histotoxická.
Hypoxická hypoxie
Dochází k ní pokud je nedostatek kyslíku v dýchané směsi nebo pokud okolní podmínky brání difúzi z plic do krevního oběhu. Tento typ hypoxie je nejčastěji spojován s onou rostoucí nadmořskou výškou stejně jako s dekompresí. Důvodem je snížení parciálního tlaku kyslíku ve vyšších výškách.
Podrobnější vysvětlení:
S rostoucí nadmořskou výškou klesá saturace kyslíku hemoglobinem kvůli klesajícímu parciálnímu tlaku kyslíku. Kyslík v plicních sklípcích totiž potřebuje být pod určitým tlakem, aby pronikl membránou do kapilár, kde se může vázat na hemoglobin. Tkáně těla mohou být dostatečně zásobeny kyslíkem, když je saturace hemoglobinu alespoň 90 %. U zdravých lidí to platí až do nadmořské výšky okolo 10 000 až 12 000 ft (3000 až 3500 m). Pro posouzení účinku hypoxie na pilota byly definovány čtyři fyziologické zóny a tři prahové hodnoty.
Postižení však neustále postupuje a hranice fyziologických zón se mezi jednotlivci mírně liší. Při létání ve nadmořských výškách do asi 6 000 až 7 000 ft (2000 až 2500 m) je zdravý člověk schopen lehce kompenzovat účinky sníženého parciálního tlaku kyslíku. Organismus funguje přesně tak, jak by fungoval na střední hladině moře. Alespoň 95 % hemoglobinu v krevním řečišti je schopno v tomto pásmu vázat kyslík. Jediný příznak, se kterým je třeba počítat, je ono zhoršení nočního vidění, které se může objevit již ve výšce 5 000 ft (asi 1500 m), protože fotosenzitivní buňky oka jsou na hypoxii velmi citlivé.
Nadmořská výška, ve které i zdravý člověk může začít pociťovat příznaky hypoxie, se nazývá reaction threshold. Nad touto hranicí tělo reaguje na snižující se přísun kyslíku zvýšením rychlosti, hloubky dýchání a také dechovým objemem pro zajištění plného výkonu.
Nad reaction threshold začíná indifference zone, která sahá až do asi 10 000 ft (3 000 m). Během toho výškového pásma saturace hemoglobinu kyslíkem klesá na 90 %, ovšem v důsledku kompenzační reakce je již třeba počítat se zhoršením výkonu.
Výškové pásmo 10 000 až 12 000 ft (3 000 až 3 500 m) se nazývá interference threshold, protože kompenzační mechanismy těla již nejsou dostatečně výkonné, aby zajistily plnou provozuschopnost, a výkonnost subjektu bude snížena do bodu, kdy by mohlo dojít k narušení bezpečnost letu. Je to způsobeno zejména tím, že může dojít k poškození krátkodobé paměti nad přibližně 12 000 ft.
Nad interference threshold začíná compensatory zone. Lze ji dále rozdělit na zónu úplné kompenzace následovanou zónou neúplné kompenzace. Pro toto rozdělení však není definována žádná určitá nadmořská výška, navíc přechod od plné kompenzace k neúplné je progresivní a liší se mezi jedinci. Compensatory zone končí ve výšce 22 000 ft (6 500 až 7 000 m), kde saturace hemoglobinu kyslíkem klesla na asi 70 %.
Výška 22 000 ft je označována jako critical threshold. Alveolární parciální tlak kyslíku se zde snižuje na minimální požadovaný parciálnímu tlaku krve, takže není možná žádná difúze kyslíku do krve. Tkáně již nemusí být při dýchání okolního vzduchu zásobeny kyslíkem.
Nad critical threshold je alveolární parciální tlak kyslíku nižší než parciální tlak krve. Dojde-li k rychlé dekompresí v této výšce se difúze kyslíku obrátí. To znamená, že krev je pumpována skrz plíce, kde molekuly kyslíku opustí krevní řečiště a uniknou do plicních sklípků. Nedostatek kyslíku pak ovlivňuje mozek a nakonec vede k bezvědomí. Doba do upadnutí do bezvědomí závisí na nadmořské výšce.
Nízký parciální tlak kyslíku nad 38 000 ft má za následek rychlou ztrátu mentálních schopností způsobující bezvědomí a smrt.
Anemická hypoxie
Anemická hypoxie je způsobena snížením transportní kapacity krve. Anémie neboli chudokrevnost (stav nízké koncentrace hemoglobinu v krvi) nebo ztráta krve je nejčastější příčinou vzniku tohoto typu hypoxie. Oxid uhelnatý, dusitany, sulfonamidy také způsobují tento typ hypoxie, tím že vytváří sloučeniny s hemoglobinem (snižují tím schopnost hemoglobinu vázat na sebe molekuly kyslíku).
Stagnační hypoxie
Při stagnační hypoxii je schopnost krve přepravovat kyslík dostatečná, ale je zde nedostatečná cirkulace. Případy jako selhání srdce, arteriální spasmus (poškozená tepna může ve svalové vrstvě stěny cévy vyvolat spasmus, který ji zužuje), okluze (uzávěr) krevní tepny, křečové žíly ve spojení s pozitivními manévry vytváří predispozice jednotlivce ke stagnační hypoxii.
Histotoxická hypoxie
Histotoxická hypoxie je výsledkem narušení schopnosti tkání zužitkovat kyslík. Alkohol, narkotika, a určité jedy jako kyanid narušují schopnost buněk využít dostatečné množství kyslíku.
Znamení a symptomy hypoxie
Posádka je většinou zahlcena aktivitami k řízení letadla a není pro ni tak snadné zaznamenat symptomy nastupující hypoxie. Nicméně, obvykle většina jedinců zažije 2 nebo 3 nepochybné symptomy či znamení, které nemohou být přehlédnuty.
Symptomy jako:
air hunger - pocit neschopnosti se dostatečně nadechnout nebo potřeba vdechnout více vzduchu, která většinou vede k hlubokému, rychlému a těžkému dýchání;
úzkost;
únava;
nevolnost;
bolest hlavy;
závrať;
přívaly tepla a chladna;
euforia;
agrese;
rozmazané vidění;
ztuhlost a
brnění.
Zrak tedy není jediným, ale zato hned prvním smyslem, který je ovlivněn nedostatkem kyslíku. To platí zejména pro noční vidění, které může být ovlivněno již ve výšce 1 500 m (5 000 ft) nad mořem. Barevné vidění se začíná zhoršovat mezi 1 500-3 000 m (5 000 - 10 000 ft). Ve vyšších nadmořských výškách oční svaly ochabují a jsou nekoordinované. Rozsah akomodace je snížen, což způsobuje rozmazané vidění na blízko a následně potíže při provádění úkolů souvisejících s viděním na blízko. Nad 5 000 m (16 500 ft) nadmořské výšky jsou poruchy zraku závažnější, protože reakční doba a reakce na vizuální podněty se zpomalují. Akomodace a konvergence jsou oslabeny a způsobují dvojité vidění. Všem problémům se ale většinou dá předejít použitím kyslíku nebo návratem do nižší hladiny.
Znamení mohou být:
hyperventilace;
cyanóza - zmodrání kůže a sliznic;
duševní zmatek;
špatný úsudek;
ztráta koordinace svalů.
Čas nastoupení a závažnost hypoxických symptomů se u jedinců mění i s ohledem na velikost kyslíkového deficitu. Proto brzké rozpoznání těchto symptomů a okamžité vyřešení příčiny jsou kritické.
Předvídání hypoxie
Jedinci mají rozdílnou citlivost na hypoxii, proto není možné přesně předvídat kdy, jak nebo v jaké výšce k hypoxické reakci dojde. Napříč tomu by se mělo brát v úvahu několik faktorů k určení tolerance jedince:
self-imposed stress;
alkohol;
délka vystavení;
změna teploty;
fyzická aktivita a zdatnost.
Self-imposed stress
Self-imposed stress bychom mohli přeložit jako dobrovolný, tedy stres, který si člověk zavinil sám. Odborné prameny uvádějí, že psychologická výška jedince (výška jakou vnímá tělo s ohledem na skutečnou výšku a další negativní faktory) musí být zhodnocena stejně vážně jako skutečná výška letu, respektive kabinová výška v případě přetlakové kabiny. Dobrovolné stresory jako tabák a alkohol, zvyšují tuto psychologickou výšku. Konečný efekt je pak stejný jako by došlo ke zvýšení skutečné výšky letu.
Alkohol
Alkohol může způsobit histotoxickou hypoxii, stejně jako kouření, jelikož zvyšuje onu psychologickou výšku. V některých případech, kdy jedinec požil 3 cl alkoholu, došlo k zvýšení psychologické výšky o 2 000 ft. Citlivost jedince k hypoxii je výrazně ovlivněna rychlostí metabolismu, dietou, výživou a emocemi. Podobný efekt jako alkohol má i únava. Jedinec, který je fyzicky nebo duševně unaven, má větší riziko k vzniku hypoxie. Tyto a další individuální faktory musí být brány v úvahu při určení tolerance na rychlé stoupání, kdy může být dosaženo vysoké výšky ještě předtím než jsou první symptomy vůbec pozorovány.
Délka vystavení
Efekt vystavení se vysoké nadmořské výšce je přímo úměrný k jedincově délce vystavení. Obvykle čím delší vystavení je, tím škodlivější účinky jsou. Nicméně, čím větší výška, tím kratší doba je potřebná k dostavení symptomů hypoxie.
Změna teploty
Vystavení se extrémním teplotám obvykle zvyšuje metabolickou rychlost. Změna teploty zvyšuje potřeby jedince na kyslík, zatímco snižuje toleranci k hypoxii. V takových podmínkách se může hypoxie dostavit v nižších výškách než je běžné.
Fyzická aktivita a zdatnost
Pokud je dojde k zvýšení fyzické aktivity, vyžaduje tělo větší množství kyslíku. Toto zvýšení potřeby způsobují ještě rychlejší dostavení se hypoxie. Jedinec, který je fyzicky zdatný bude mít normálně větší toleranci k výškovým potížím než jedinec, který není. Fyzická zdatnost tak zvyšuje individuální strop pro toleranci hypoxie.
Shrnutí
Jestliže nemáte zkušenosti s pobytem ve vyšší hladině bez doplňkové dodávky kyslíku nebo bez přetlakování kabiny, nespoléhejte se na tvrzení svých zkušených kolegů o jejich výškových výkonech bez jakékoliv kompenzace. Každý člověk je jiný a každý má jinou toleranci k hypoxii. Neexistuje totiž pouze jeden typ hypoxie, ale hned čtyři, které jsou ovlivňovány například zdravotním stavem nebo užívanými léky.
Pokud již máte vlastní zkušenosti se svou schopností zůstat při vědomí v určité hladině, nespoléhejte na to, že dosáhnete stejné výkonu i druhý den. Tolerance k hypoxii má mnoho proměnných jako únava, alkohol, emoce, stres, fyzická zdatnost, teplota a další. I hned druhý den může být vaše tolerance snížena v řádech tisíců výškových stop.