Le persone lavorano sempre più ad alta quota. Le operazioni minerarie, le strutture ricreative, i mezzi di trasporto, le attività agricole e le campagne militari si svolgono spesso ad alta quota e richiedono tutte attività fisiche e mentali umane. Tutte queste attività comportano un aumento del fabbisogno di ossigeno. Un problema è che man mano che si sale sempre più in alto sopra il livello del mare, sia la pressione atmosferica totale (la pressione barometrica, PB) e la quantità di ossigeno nell'aria ambiente (quella parte della pressione totale dovuta all'ossigeno, PO2) diminuiscono progressivamente. Di conseguenza, la quantità di lavoro che possiamo svolgere diminuisce progressivamente. Questi principi riguardano il posto di lavoro. Ad esempio, si è scoperto che un tunnel in Colorado richiedeva il 25% di tempo in più per essere completato a un'altitudine di 11,000 piedi rispetto a lavori comparabili a livello del mare e gli effetti dell'altitudine erano implicati nel ritardo. Non solo c'è un aumento dell'affaticamento muscolare, ma anche un deterioramento della funzione mentale. La memoria, il calcolo, il processo decisionale e il giudizio vengono tutti compromessi. Gli scienziati che effettuano calcoli presso l'Osservatorio di Mona Loa ad un'altitudine superiore a 4,000 m sull'isola delle Hawaii hanno scoperto che richiedono più tempo per eseguire i loro calcoli e commettono più errori rispetto al livello del mare. A causa della crescente portata, grandezza, varietà e distribuzione delle attività umane su questo pianeta, sempre più persone lavorano in alta quota e gli effetti dell'altitudine diventano un problema occupazionale.
Fondamentalmente importante per le prestazioni professionali in quota è mantenere l'apporto di ossigeno ai tessuti. Noi (e altri animali) abbiamo difese contro gli stati di basso ossigeno (ipossia). Il principale tra questi è un aumento della respirazione (ventilazione), che inizia quando la pressione dell'ossigeno nel sangue arterioso (PaO2) diminuisce (ipossiemia), è presente a tutte le altitudini sul livello del mare, è progressiva con l'altitudine ed è la nostra difesa più efficace contro la carenza di ossigeno nell'ambiente. Viene chiamato il processo per cui la respirazione aumenta in alta quota acclimatazione ventilatoria. L'importanza del processo può essere vista nella figura 1, che mostra che la pressione dell'ossigeno nel sangue arterioso è maggiore nei soggetti acclimatati che nei soggetti non acclimatati. Inoltre, l'importanza dell'acclimatazione nel mantenimento della pressione arteriosa dell'ossigeno aumenta progressivamente con l'aumentare dell'altitudine. In effetti, è improbabile che la persona non acclimatata sopravviva al di sopra di un'altitudine di 20,000 piedi, mentre le persone acclimatate sono state in grado di salire sulla cima del Monte Everest (29,029 piedi, 8,848 m) senza fonti artificiali di ossigeno.
Figura 1. Acclimatazione ventilatoria
Meccanismo
Lo stimolo per l'aumento della ventilazione in quota nasce in gran parte e quasi esclusivamente in un tessuto che controlla la pressione dell'ossigeno nel sangue arterioso ed è contenuto all'interno di un organo chiamato corpo carotideo, delle dimensioni circa di una capocchia di spillo, situato in un punto di diramazione in ciascuna delle due arterie carotidi, a livello dell'angolo della mandibola. Quando la pressione arteriosa dell'ossigeno diminuisce, le cellule nervose (cellule chemiorecettrici) nel corpo carotideo avvertono questa diminuzione e aumentano la loro frequenza di scarica lungo il IX nervo cranico, che porta gli impulsi direttamente al centro di controllo respiratorio nel tronco encefalico. Quando il centro respiratorio riceve un numero maggiore di impulsi, stimola un aumento della frequenza e della profondità della respirazione attraverso complesse vie nervose, che attivano il diaframma ei muscoli della parete toracica. Il risultato è una maggiore quantità di aria ventilata dai polmoni, figura 9, che a sua volta agisce ripristinando la pressione arteriosa dell'ossigeno. Se un soggetto respira ossigeno o aria arricchita di ossigeno, accade il contrario. Cioè, le cellule chemocettrici diminuiscono la loro velocità di attivazione, il che diminuisce il traffico nervoso verso il centro respiratorio e la respirazione diminuisce. Questi piccoli organi su ciascun lato del collo sono molto sensibili ai piccoli cambiamenti nella pressione dell'ossigeno nel sangue. Inoltre, sono quasi interamente responsabili del mantenimento del livello di ossigeno nel corpo, poiché quando entrambi vengono danneggiati o rimossi, la ventilazione non aumenta più quando i livelli di ossigeno nel sangue diminuiscono. Quindi un fattore importante che controlla la respirazione è la pressione arteriosa dell'ossigeno; una diminuzione del livello di ossigeno porta ad un aumento della respirazione e un aumento del livello di ossigeno porta a una diminuzione della respirazione. In ogni caso il risultato è, in effetti, lo sforzo del corpo per mantenere costanti i livelli di ossigeno nel sangue.
Figura 2. Sequenza di eventi nell'acclimatazione
Andamento temporale (fattori contrari all'aumento della ventilazione in quota)
L'ossigeno è necessario per la produzione prolungata di energia e quando l'apporto di ossigeno ai tessuti è ridotto (ipossia), la funzione dei tessuti può diventare depressa. Di tutti gli organi, il cervello è il più sensibile alla mancanza di ossigeno e, come notato sopra, i centri all'interno del sistema nervoso centrale sono importanti per il controllo della respirazione. Quando respiriamo una miscela a basso contenuto di ossigeno, la risposta iniziale è un aumento della ventilazione, ma dopo circa 10 minuti l'aumento si attenua in una certa misura. Sebbene la causa di questo ottundimento non sia nota, la sua causa suggerita è la depressione di alcune funzioni neurali centrali correlate al percorso di ventilazione ed è stata chiamata depressione ventilatoria ipossica. Tale depressione è stata osservata poco dopo l'ascesa in quota. La depressione è transitoria, dura solo poche ore, probabilmente perché c'è un adattamento dei tessuti all'interno del sistema nervoso centrale.
Tuttavia, un certo aumento della ventilazione di solito inizia immediatamente salendo in quota, sebbene sia necessario del tempo prima che si raggiunga la massima ventilazione. All'arrivo in quota, l'aumento dell'attività del corpo carotideo tenta di aumentare la ventilazione e quindi di riportare la pressione arteriosa dell'ossigeno al valore del livello del mare. Tuttavia, questo presenta al corpo un dilemma. Un aumento della respirazione provoca un aumento dell'escrezione di anidride carbonica (CO2) nell'aria espirata. Quando CO2 è nei tessuti del corpo, crea una soluzione acquosa acida, e quando si perde nell'aria espirata, i fluidi corporei, compreso il sangue, diventano più alcalini, alterando così l'equilibrio acido-base nel corpo. Il dilemma è che la ventilazione è regolata non solo per mantenere costante la pressione dell'ossigeno, ma anche per l'equilibrio acido-base. CO2 regola la respirazione nella direzione opposta rispetto all'ossigeno. Così quando il CO2 la pressione (cioè il grado di acidità da qualche parte all'interno del centro respiratorio) aumenta, la ventilazione aumenta e quando diminuisce, la ventilazione diminuisce. All'arrivo in alta quota, qualsiasi aumento della ventilazione causato dall'ambiente a basso contenuto di ossigeno porterà a una diminuzione della CO2 pressione, che provoca alcalosi e agisce per contrastare l'aumentata ventilazione (figura 2). Pertanto, il dilemma all'arrivo è che il corpo non può mantenere costanza sia nella pressione dell'ossigeno che nell'equilibrio acido-base. Gli esseri umani richiedono molte ore e persino giorni per ritrovare il giusto equilibrio.
Un metodo per il riequilibrio è che i reni aumentino l'escrezione di bicarbonato alcalino nelle urine, che compensa la perdita respiratoria di acidità, contribuendo così a ripristinare l'equilibrio acido-base del corpo verso i valori del livello del mare. L'escrezione renale di bicarbonato è un processo relativamente lento. Ad esempio, passando dal livello del mare a 4,300 m (14,110 piedi), l'acclimatazione richiede da sette a dieci giorni (figura 3). Un tempo si pensava che questa azione dei reni, che riduce l'inibizione alcalina della ventilazione, fosse la ragione principale del lento aumento della ventilazione dopo la risalita, ma ricerche più recenti assegnano un ruolo dominante a un progressivo aumento della sensibilità del sensing ipossico capacità dei corpi carotidei durante le prime ore o i giorni successivi alla salita in quota. Questo è l'intervallo di acclimatazione ventilatoria. Il processo di acclimatazione consente, in effetti, che la ventilazione aumenti in risposta alla bassa pressione arteriosa dell'ossigeno anche se la CO2 la pressione sta diminuendo. Quando la ventilazione aumenta e la CO2 la pressione diminuisce con l'acclimatazione in quota, vi è un conseguente e concomitante aumento della pressione dell'ossigeno all'interno degli alveoli polmonari e del sangue arterioso.
Figura 3. Andamento temporale dell'acclimatazione ventilatoria per soggetti a livello del mare portati a 4,300 m di altitudine
A causa della possibilità di depressione ventilatoria ipossica transitoria in quota, e poiché l'acclimatazione è un processo che inizia solo quando si entra in un ambiente a basso contenuto di ossigeno, la pressione arteriosa minima dell'ossigeno si verifica all'arrivo in quota. Successivamente, la pressione arteriosa dell'ossigeno aumenta in modo relativamente rapido per i primi giorni e successivamente aumenta più lentamente, come nella figura 3. Poiché l'ipossia peggiora subito dopo l'arrivo, anche la letargia e i sintomi che accompagnano l'esposizione all'altitudine peggiorano durante le prime ore e i primi giorni . Con l'acclimatazione, di solito si sviluppa un ritrovato senso di benessere.
Il tempo richiesto per l'acclimatazione aumenta con l'aumentare dell'altitudine, coerentemente con il concetto che un maggiore aumento della ventilazione e degli aggiustamenti acido-base richiedono intervalli più lunghi affinché si verifichi il compenso renale. Pertanto, mentre l'acclimatazione può richiedere da tre a cinque giorni per un nativo del livello del mare per acclimatarsi a 3,000 m, per altitudini superiori a 6,000-8,000 m, l'acclimatazione completa, anche se possibile, può richiedere sei settimane o più (figura 4). Quando la persona acclimatata all'altitudine ritorna al livello del mare, il processo si inverte. Cioè, la pressione arteriosa dell'ossigeno ora sale al valore del livello del mare e la ventilazione diminuisce. Ora c'è meno CO2 espirato e CO2 la pressione aumenta nel sangue e nel centro respiratorio. L'equilibrio acido-base è alterato verso il lato acido ei reni devono trattenere il bicarbonato per ristabilire l'equilibrio. Sebbene il tempo necessario per la perdita dell'acclimatazione non sia così ben compreso, sembra richiedere un intervallo approssimativamente lungo quanto il processo di acclimatazione stesso. In tal caso, il ritorno dall'altitudine, ipoteticamente, fornisce un'immagine speculare della salita in quota, con un'importante eccezione: le pressioni arteriose dell'ossigeno diventano immediatamente normali durante la discesa.
Figura 4. Effetti dell'altitudine sulla pressione barometrica e sulla PO2 inspirata
Variabilità tra gli individui
Come ci si potrebbe aspettare, gli individui variano per quanto riguarda il tempo richiesto e l'entità dell'acclimatazione ventilatoria a una data altitudine. Una ragione molto importante è la grande variazione tra gli individui nella risposta ventilatoria all'ipossia. Ad esempio, a livello del mare, se si tiene il CO2 costante, in modo da non confondere la risposta ventilatoria a un basso livello di ossigeno, alcune persone normali mostrano un aumento minimo o nullo della ventilazione, mentre altre mostrano un aumento molto ampio (fino a cinque volte). La risposta ventilatoria alla respirazione di miscele a basso contenuto di ossigeno sembra essere una caratteristica intrinseca di un individuo, perché i membri della famiglia si comportano in modo più simile rispetto alle persone che non sono imparentate. Quelle persone che hanno scarse risposte ventilatorie a bassi livelli di ossigeno a livello del mare, come previsto, sembrano avere anche risposte ventilatorie minori nel tempo ad alta quota. Potrebbero esserci altri fattori che causano variabilità interindividuale nell'acclimatazione, come la variabilità nell'entità della depressione ventilatoria, nella funzione del centro respiratorio, nella sensibilità ai cambiamenti acido-base e nella gestione renale del bicarbonato, ma questi non hanno stato valutato.
Pernottamento
La scarsa qualità del sonno, in particolare prima dell'acclimatazione ventilatoria, non è solo un disturbo comune, ma anche un fattore che compromette l'efficienza occupazionale. Molte cose interferiscono con l'atto di respirare., comprese le emozioni, l'attività fisica, il mangiare e il grado di veglia. La ventilazione diminuisce durante il sonno e la capacità respiratoria viene stimolata da un basso livello di ossigeno o da un'elevata CO2 diminuisce anche. La frequenza respiratoria e la profondità del respiro diminuiscono entrambe. Inoltre, in alta quota, dove ci sono meno molecole di ossigeno nell'aria, la quantità di ossigeno immagazzinata negli alveoli polmonari tra i respiri è inferiore. Quindi, se la respirazione si interrompe per alcuni secondi (chiamata apnea, che è un evento comune in alta quota), la pressione arteriosa dell'ossigeno scende più rapidamente che al livello del mare, dove, in sostanza, la riserva di ossigeno è maggiore.
La cessazione periodica della respirazione è quasi universale durante le prime notti successive all'ascesa in alta quota. Questo è un riflesso del dilemma respiratorio dell'altitudine, descritto in precedenza, che funziona in modo ciclico: la stimolazione ipossica aumenta la ventilazione, che a sua volta abbassa i livelli di anidride carbonica, inibisce la respirazione e aumenta la stimolazione ipossica, che stimola nuovamente la ventilazione. Di solito c'è un periodo di apnea da 15 a 30 secondi, seguito da diversi respiri molto ampi, che spesso risvegliano brevemente il soggetto, dopodiché c'è un'altra apnea. La pressione arteriosa dell'ossigeno a volte scende a livelli allarmanti a causa dei periodi di apnea. Ci possono essere frequenti risvegli, e anche quando il tempo totale di sonno è normale, la sua frammentazione compromette la qualità del sonno in modo tale che si ha l'impressione di aver avuto una notte agitata o insonne. Dare ossigeno elimina il ciclo della stimolazione ipossica e l'inibizione alcalotica abolisce la respirazione periodica e ripristina il sonno normale.
I maschi di mezza età, in particolare, sono anche a rischio di un'altra causa di apnea, vale a dire l'ostruzione intermittente delle vie aeree superiori, la causa comune del russare. Mentre l'ostruzione intermittente nella parte posteriore dei passaggi nasali di solito provoca solo fastidiosi rumori a livello del mare, ad alta quota, dove c'è una minore riserva di ossigeno nei polmoni, tale ostruzione può portare a livelli gravemente bassi di pressione arteriosa dell'ossigeno e sonno scarso. qualità.
Esposizione intermittente
Ci sono situazioni lavorative, in particolare nelle Ande del Sud America, che richiedono al lavoratore di trascorrere diversi giorni ad altitudini superiori a 3,000-4,000 m, e poi di trascorrere diversi giorni a casa, al livello del mare. I particolari orari di lavoro (quanti giorni devono essere trascorsi in quota, diciamo da quattro a quattordici, e quanti giorni, diciamo da tre a sette, a livello del mare) sono generalmente determinati dall'economia del posto di lavoro più che da considerazioni di salute. Tuttavia, un fattore da considerare nell'economia è l'intervallo richiesto sia per l'acclimatazione che per la perdita di acclimatazione all'altitudine in questione. Particolare attenzione dovrebbe essere posta sul senso di benessere e sulle prestazioni lavorative del lavoratore all'arrivo e nei primi due giorni successivi, per quanto riguarda la fatica, il tempo necessario per svolgere funzioni di routine e straordinarie e gli errori commessi. Dovrebbero essere prese in considerazione anche strategie per ridurre al minimo il tempo necessario per l'acclimatazione in quota e per migliorare la funzionalità durante le ore di veglia.