Menschen arbeiten zunehmend in großen Höhen. Bergbaubetriebe, Freizeiteinrichtungen, Transportmittel, landwirtschaftliche Aktivitäten und militärische Feldzüge befinden sich oft in großer Höhe, und all dies erfordert körperliche und geistige Aktivität des Menschen. All diese Aktivitäten beinhalten einen erhöhten Bedarf an Sauerstoff. Ein Problem besteht darin, dass, wenn man höher und höher über dem Meeresspiegel aufsteigt, sowohl der Gesamtluftdruck (der barometrische Druck, P_B) und der Sauerstoffmenge in der Umgebungsluft (der Anteil des Sauerstoffs am Gesamtdruck, PO₂) nach und nach fallen. Infolgedessen nimmt die Menge an Arbeit, die wir leisten können, nach und nach ab. Diese Grundsätze wirken sich auf den Arbeitsplatz aus. Beispielsweise wurde festgestellt, dass ein Tunnel in Colorado in einer Höhe von 25 Fuß 11,000 % mehr Zeit zur Fertigstellung benötigt als vergleichbare Arbeiten auf Meereshöhe, und Höheneffekte waren mit der Verzögerung verbunden. Es kommt nicht nur zu einer erhöhten Muskelermüdung, sondern auch zu einer Verschlechterung der geistigen Funktion. Gedächtnis, Berechnung, Entscheidungsfindung und Urteilsvermögen werden alle beeinträchtigt. Wissenschaftler, die Berechnungen am Mona-Loa-Observatorium in einer Höhe von über 4,000 m auf der Insel Hawaii durchführen, haben festgestellt, dass sie für ihre Berechnungen mehr Zeit benötigen und mehr Fehler machen als auf Meereshöhe. Aufgrund des zunehmenden Umfangs, Ausmaßes, der Vielfalt und Verbreitung menschlicher Aktivitäten auf diesem Planeten arbeiten immer mehr Menschen in großer Höhe, und die Auswirkungen der Höhe werden zu einem beruflichen Problem.

Grundlegend wichtig für die berufliche Leistungsfähigkeit in der Höhe ist die Aufrechterhaltung der Sauerstoffversorgung des Gewebes. Wir (und andere Tiere) haben Abwehrmechanismen gegen niedrige Sauerstoffzustände (Hypoxie). Dazu gehört vor allem eine Steigerung der Atmung (Ventilation), die einsetzt, wenn der Sauerstoffdruck im arteriellen Blut (PaO₂) nimmt ab (Hypoxämie), ist in allen Höhen über dem Meeresspiegel vorhanden, nimmt mit der Höhe zu und ist unser wirksamster Schutz gegen Sauerstoffmangel in der Umgebung. Der Vorgang, bei dem die Atmung in großer Höhe zunimmt, wird als ventilatorische Akklimatisation. Die Bedeutung des Prozesses ist in Abbildung 1 ersichtlich, die zeigt, dass der Sauerstoffdruck im arteriellen Blut bei akklimatisierten Probanden höher ist als bei nicht akklimatisierten Probanden. Außerdem nimmt die Bedeutung der Akklimatisierung zur Aufrechterhaltung des arteriellen Sauerstoffdrucks mit zunehmender Höhe zunehmend zu. Tatsächlich ist es unwahrscheinlich, dass die nicht akklimatisierte Person oberhalb einer Höhe von 20,000 Fuß überlebt, während akklimatisierte Personen in der Lage waren, den Gipfel des Mount Everest (29,029 Fuß, 8,848 m) ohne künstliche Sauerstoffquellen zu besteigen.

Abbildung 1. Ventilatorische Akklimatisierung

Mechanismus

Der Stimulus für die Erhöhung der Ventilation in großer Höhe entsteht größtenteils und fast ausschließlich in einem Gewebe, das den Sauerstoffdruck im arteriellen Blut überwacht und in einem etwa stecknadelkopfgroßen Organ namens Glomus carotis enthalten ist, das sich an einer Verzweigungsstelle befindet in jeder der beiden Halsschlagadern, in Höhe des Kieferwinkels. Wenn der arterielle Sauerstoffdruck sinkt, spüren nervenähnliche Zellen (Chemorezeptorzellen) im Glomus carotis diese Abnahme und erhöhen ihre Feuerrate entlang des 9. Hirnnerven, der die Impulse direkt an das Atmungskontrollzentrum im Hirnstamm weiterleitet. Wenn das Atemzentrum vermehrt Impulse erhält, stimuliert es über komplexe Nervenbahnen eine Erhöhung der Atemfrequenz und -tiefe, wodurch das Zwerchfell und die Brustwandmuskulatur aktiviert werden. Das Ergebnis ist eine erhöhte Luftmenge, die von der Lunge ventiliert wird, Abbildung 2, was wiederum dazu dient, den arteriellen Sauerstoffdruck wiederherzustellen. Wenn ein Proband Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft einatmet, passiert das Gegenteil. Das heißt, die Chemorezeptorzellen verringern ihre Feuerrate, was den Nervenverkehr zum Atmungszentrum verringert und die Atmung verringert. Diese kleinen Organe auf beiden Seiten des Halses reagieren sehr empfindlich auf kleine Änderungen des Sauerstoffdrucks im Blut. Außerdem sind sie fast ausschließlich dafür verantwortlich, den Sauerstoffgehalt des Körpers aufrechtzuerhalten, denn wenn beide beschädigt oder entfernt werden, erhöht sich die Belüftung nicht mehr, wenn der Blutsauerstoffgehalt sinkt. Daher ist ein wichtiger Faktor, der die Atmung steuert, der arterielle Sauerstoffdruck; Eine Abnahme des Sauerstoffgehalts führt zu einer Zunahme der Atmung, und eine Zunahme des Sauerstoffgehalts führt zu einer Abnahme der Atmung. In jedem Fall ist das Ergebnis die Anstrengung des Körpers, den Blutsauerstoffspiegel konstant zu halten.

Abbildung 2. Ablauf der Akklimatisation

Zeitlicher Verlauf (Faktoren, die der Zunahme der Ventilation in der Höhe entgegenstehen)

Sauerstoff wird für die anhaltende Energieproduktion benötigt, und wenn die Sauerstoffversorgung des Gewebes reduziert ist (Hypoxie), kann die Gewebefunktion herabgesetzt werden. Von allen Organen reagiert das Gehirn am empfindlichsten auf Sauerstoffmangel, und wie oben erwähnt, sind Zentren innerhalb des Zentralnervensystems wichtig für die Kontrolle der Atmung. Wenn wir ein sauerstoffarmes Gemisch atmen, ist die anfängliche Reaktion eine Erhöhung der Atmung, aber nach etwa 10 Minuten lässt die Erhöhung bis zu einem gewissen Grad nach. Während die Ursache für diese Abstumpfung nicht bekannt ist, wird als Ursache eine Unterdrückung einer zentralen neuralen Funktion im Zusammenhang mit dem Atmungsweg vermutet, und wurde genannt hypoxische Atemdepression. Eine solche Depression wurde kurz nach dem Aufstieg in große Höhen beobachtet. Die Depression ist vorübergehend und dauert nur wenige Stunden, möglicherweise weil eine Gewebeanpassung innerhalb des Zentralnervensystems stattfindet.

Dennoch beginnt eine gewisse Erhöhung der Ventilation normalerweise sofort, wenn man sich in große Höhen begibt, obwohl es einige Zeit dauert, bis die maximale Ventilation erreicht ist. Bei Ankunft in der Höhe versucht eine erhöhte Glomus carotis-Aktivität, die Ventilation zu erhöhen und dadurch den arteriellen Sauerstoffdruck wieder auf den Wert auf Meereshöhe anzuheben. Dies stellt den Körper jedoch vor ein Dilemma. Eine Zunahme der Atmung bewirkt eine erhöhte Ausscheidung von Kohlendioxid (CO₂) in der Ausatemluft. Wenn CO₂ befindet sich im Körpergewebe, erzeugt es eine saure wässrige Lösung, und wenn es in die ausgeatmete Luft verloren geht, werden die Körperflüssigkeiten, einschließlich des Blutes, alkalischer, wodurch das Säure-Basen-Gleichgewicht im Körper verändert wird. Das Dilemma besteht darin, dass die Belüftung nicht nur reguliert wird, um den Sauerstoffdruck konstant zu halten, sondern auch um das Säure-Basen-Gleichgewicht zu gewährleisten. CO₂ reguliert die Atmung in die entgegengesetzte Richtung von Sauerstoff. Wenn also das CO₂ Der Druck (dh der Übersäuerungsgrad irgendwo im Atmungszentrum) steigt, die Ventilation steigt, und wenn er fällt, fällt die Ventilation. Bei der Ankunft in großer Höhe führt jede Erhöhung der Ventilation, die durch die sauerstoffarme Umgebung verursacht wird, zu einem Abfall des CO₂ Druck, der eine Alkalose verursacht und der erhöhten Ventilation entgegenwirkt (Abbildung 2). Daher besteht das Dilemma bei der Ankunft darin, dass der Körper sowohl den Sauerstoffdruck als auch das Säure-Basen-Gleichgewicht nicht konstant halten kann. Der Mensch benötigt viele Stunden und sogar Tage, um das richtige Gleichgewicht wiederzuerlangen.

Eine Methode zur Wiederherstellung des Gleichgewichts besteht darin, dass die Nieren die Ausscheidung von basischem Bikarbonat im Urin erhöhen, was den Säureverlust der Atmung ausgleicht und so dazu beiträgt, das Säure-Basen-Gleichgewicht des Körpers wieder auf Meeresspiegelniveau zu bringen. Die renale Ausscheidung von Bikarbonat ist ein relativ langsamer Prozess. Wenn Sie beispielsweise vom Meeresspiegel auf 4,300 m (14,110 ft) aufsteigen, dauert die Akklimatisierung sieben bis zehn Tage (Abbildung 3). Diese Wirkung der Nieren, die die alkalische Hemmung der Ventilation reduziert, wurde früher als Hauptgrund für die langsame Zunahme der Ventilation nach dem Aufstieg angesehen, aber neuere Forschungen weisen einer progressiven Erhöhung der Empfindlichkeit der hypoxischen Wahrnehmung eine dominierende Rolle zu Fähigkeit der Glomus carotis während der frühen Stunden bis Tage nach dem Aufstieg in die Höhe. Dies ist das Intervall von ventilatorische Akklimatisation. Der Akklimatisierungsprozess ermöglicht tatsächlich, dass die Ventilation als Reaktion auf den niedrigen arteriellen Sauerstoffdruck ansteigt, obwohl der CO₂ Druck fällt. Wenn die Belüftung steigt und CO₂ Wenn der Druck mit der Akklimatisierung in der Höhe abfällt, kommt es zu einem gleichzeitigen Anstieg des Sauerstoffdrucks in den Lungenbläschen und im arteriellen Blut.

Abbildung 3. Zeitlicher Verlauf der ventilatorischen Akklimatisierung für Probanden auf Meereshöhe, die in 4,300 m Höhe gebracht wurden

Aufgrund der Möglichkeit einer vorübergehenden hypoxischen Atmungsdepression in der Höhe und weil die Akklimatisierung ein Prozess ist, der erst beim Eintritt in eine sauerstoffarme Umgebung beginnt, tritt der minimale arterielle Sauerstoffdruck bei der Ankunft in der Höhe auf. Danach steigt der arterielle Sauerstoffdruck in den ersten Tagen relativ schnell und danach langsamer an, wie in Abbildung 3. Da die Hypoxie kurz nach der Ankunft schlimmer wird, sind die Lethargie und die Symptome, die mit der Höhenexposition einhergehen, in den ersten Stunden und Tagen ebenfalls schlimmer . Mit der Eingewöhnung stellt sich in der Regel ein wiederhergestelltes Wohlgefühl ein.

Die für die Akklimatisierung erforderliche Zeit nimmt mit zunehmender Höhe zu, was mit dem Konzept übereinstimmt, dass eine stärkere Erhöhung der Ventilation und Säure-Basen-Anpassungen längere Intervalle für die Nierenkompensation erfordern. Während also die Akklimatisierung drei bis fünf Tage für einen Eingeborenen auf Meereshöhe zur Akklimatisierung auf 3,000 m benötigen kann, kann eine vollständige Akklimatisierung für Höhen über 6,000 bis 8,000 m sechs Wochen oder mehr dauern, selbst wenn es möglich ist (Abbildung 4). Wenn die höhenakklimatisierte Person auf Meereshöhe zurückkehrt, kehrt sich der Prozess um. Das heißt, der arterielle Sauerstoffdruck steigt nun auf den Meeresspiegelwert und die Ventilation sinkt. Jetzt gibt es weniger CO₂ ausgeatmet und CO₂ Druck steigt im Blut und im Atemzentrum. Das Säure-Basen-Gleichgewicht wird in Richtung der Säureseite verschoben, und die Nieren müssen Bikarbonat zurückhalten, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Obwohl die Zeit, die für den Verlust der Akklimatisierung benötigt wird, nicht so gut verstanden ist, scheint sie ein ungefähr so ​​langes Intervall wie der Akklimatisierungsprozess selbst zu erfordern. Wenn dies der Fall ist, ergibt die Rückkehr aus der Höhe hypothetisch ein Spiegelbild des Höhenanstiegs, mit einer wichtigen Ausnahme: Der arterielle Sauerstoffdruck wird beim Abstieg sofort normal.

Abbildung 4. Auswirkungen der Höhe auf den barometrischen Druck und den inspirierten PO2

Variabilität zwischen Individuen

Wie zu erwarten ist, unterscheiden sich Individuen in Bezug auf die erforderliche Zeit und das Ausmaß der Atmungsakklimatisierung an eine bestimmte Höhe. Ein sehr wichtiger Grund ist die große Variation zwischen Individuen in der Beatmungsreaktion auf Hypoxie. Zum Beispiel auf Meereshöhe, wenn man das CO hält₂ Druck konstant, so dass er die Atmungsreaktion auf niedrigen Sauerstoffgehalt nicht stört, zeigen einige normale Personen eine geringe oder keine Zunahme der Atmung, während andere eine sehr große (bis zu fünffache) Zunahme zeigen. Die Atmungsreaktion auf das Atmen von sauerstoffarmen Gemischen scheint ein inhärentes Merkmal eines Individuums zu sein, da sich Familienmitglieder ähnlicher verhalten als Personen, die nicht verwandt sind. Diejenigen Personen, die erwartungsgemäß eine schlechte Atmungsreaktion auf niedrigen Sauerstoffgehalt auf Meereshöhe haben, scheinen in großer Höhe im Laufe der Zeit auch eine geringere Atmungsreaktion zu haben. Es kann andere Faktoren geben, die eine interindividuelle Variabilität bei der Akklimatisierung verursachen, wie z. B. Variabilität in der Stärke der Atmungsdepression, in der Funktion des Atemzentrums, in der Empfindlichkeit gegenüber Säure-Basen-Änderungen und in der renalen Handhabung von Bikarbonat, aber diese haben es nicht ausgewertet worden.

Schlaf

Schlechte Schlafqualität, insbesondere vor der Atemakklimatisierung, ist nicht nur eine häufige Beschwerde, sondern auch ein Faktor, der die berufliche Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Viele Dinge stören den Akt des Atmens, einschließlich Emotionen, körperlicher Aktivität, Essen und dem Grad der Wachheit. Die Ventilation nimmt während des Schlafs ab, und die Atmungskapazität wird durch niedrigen Sauerstoff- oder hohen CO-Gehalt stimuliert₂ nimmt auch ab. Sowohl die Atemfrequenz als auch die Atemtiefe nehmen ab. Außerdem ist in großer Höhe, wo weniger Sauerstoffmoleküle in der Luft vorhanden sind, die zwischen den Atemzügen in den Lungenbläschen gespeicherte Sauerstoffmenge geringer. Wenn also die Atmung für einige Sekunden aufhört (Apnoe genannt, was in großer Höhe ein häufiges Ereignis ist), fällt der arterielle Sauerstoffdruck schneller als auf Meereshöhe, wo im Wesentlichen das Sauerstoffreservoir größer ist.

In den ersten Nächten nach dem Aufstieg in große Höhen kommt es fast immer zu einem periodischen Atemstillstand. Dies spiegelt das zuvor beschriebene respiratorische Dilemma der Höhe wider, das zyklisch arbeitet: hypoxische Stimulation erhöht die Ventilation, was wiederum den Kohlendioxidgehalt senkt, die Atmung hemmt und die hypoxische Stimulation erhöht, was wiederum die Ventilation stimuliert. Normalerweise gibt es eine Apnoe von 15 bis 30 Sekunden, gefolgt von mehreren sehr großen Atemzügen, die den Patienten oft kurz aufwecken, woraufhin es zu einer weiteren Apnoe kommt. Der arterielle Sauerstoffdruck fällt als Folge der Apnoeperioden manchmal auf besorgniserregende Werte ab. Es kann zu häufigem Aufwachen kommen, und selbst wenn die Gesamtschlafzeit normal ist, beeinträchtigt seine Fragmentierung die Schlafqualität, so dass der Eindruck entsteht, eine unruhige oder schlaflose Nacht gehabt zu haben. Die Zufuhr von Sauerstoff eliminiert den Zyklus der hypoxischen Stimulation, und die alkalotische Hemmung hebt die periodische Atmung auf und stellt den normalen Schlaf wieder her.

Insbesondere Männer mittleren Alters sind auch für eine andere Ursache von Apnoe gefährdet, nämlich für eine intermittierende Obstruktion der oberen Atemwege, die häufigste Ursache für das Schnarchen. Während eine intermittierende Obstruktion an der Rückseite der Nasenwege normalerweise nur störende Geräusche auf Meereshöhe verursacht, kann eine solche Obstruktion in großer Höhe, wo ein kleineres Sauerstoffreservoir in der Lunge vorhanden ist, zu einem stark niedrigen arteriellen Sauerstoffdruck und schlechtem Schlaf führen Qualität.

Zeitweilige Exposition

Es gibt Arbeitssituationen, insbesondere in den südamerikanischen Anden, die erfordern, dass ein Arbeiter mehrere Tage in Höhen über 3,000 bis 4,000 m und dann mehrere Tage zu Hause auf Meereshöhe verbringt. Die besonderen Arbeitspläne (wie viele Tage in der Höhe verbracht werden sollen, sagen wir vier bis 14, und wie viele Tage, sagen wir drei bis sieben, auf Meereshöhe) werden normalerweise mehr von der Wirtschaftlichkeit des Arbeitsplatzes als von gesundheitlichen Erwägungen bestimmt. Ein ökonomisch zu berücksichtigender Faktor ist jedoch das Intervall, das sowohl für die Akklimatisierung als auch für den Verlust der Akklimatisierung an die betreffende Höhe erforderlich ist. Besondere Aufmerksamkeit sollte dem Wohlbefinden und der Leistung des Arbeitnehmers am Arbeitsplatz bei der Ankunft und den ersten ein oder zwei Tagen danach gewidmet werden, in Bezug auf Ermüdung, Zeit, die zur Ausführung routinemäßiger und nicht routinemäßiger Funktionen erforderlich ist, und gemachte Fehler. Es sollten auch Strategien in Betracht gezogen werden, um die für die Akklimatisierung in der Höhe erforderliche Zeit zu minimieren und die Funktion während der Wachstunden zu verbessern.

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