人々はますます高地で働くようになっています。 採掘作業、レクリエーション施設、輸送手段、農業の追求、および軍事作戦は高地で行われることが多く、これらはすべて人間の身体的および精神的活動を必要とします。 そのようなすべての活動には、酸素の必要量の増加が伴います。 問題は、海抜がどんどん高くなるにつれて、全気圧 (気圧、P_B) および周囲空気中の酸素の量 (酸素による全圧のその部分、PO₂) 徐々に下がります。 その結果、私たちが達成できる仕事の量は次第に減少していきます。 これらの原則は職場に影響を与えます。 たとえば、コロラド州のトンネルは、海抜 25 フィートの高度で完了するのに、海面での同等の作業よりも 11,000% 長い時間が必要であることがわかり、高度の影響が遅延に関係していました。 筋肉疲労の増加だけでなく、精神機能の低下もあります。 記憶、計算、意思決定、判断のすべてが損なわれます。 ハワイ島の標高 4,000 m を超える高度にあるモナロア天文台で計算を行っている科学者は、計算を実行するのにより多くの時間を必要とし、海面よりも多くの間違いを犯すことを発見しました。 この地球上での人間活動の範囲、規模、多様性、分布が拡大しているため、高地で働く人が増えており、高地の影響が職業上の問題になっています。

高所での職業遂行にとって基本的に重要なことは、組織への酸素供給を維持することです。 私たち (および他の動物) は、低酸素状態 (低酸素症) に対する防御機能を備えています。 これらの中で最も重要なのは呼吸 (換気) の増加であり、これは動脈血中の酸素圧 (PaO₂）は減少し（低酸素血症）、海抜のすべての高度に存在し、高度とともに進行し、環境中の低酸素に対する最も効果的な防御です. 高地で呼吸が増加するプロセスは、 換気順化. このプロセスの重要性は、図 1 で見ることができます。これは、動脈血中の酸素圧が、順応していない被験者よりも順応した被験者の方が高いことを示しています。 さらに、動脈酸素圧を維持する上で順応することの重要性は、高度が高くなるにつれて次第に高くなります。 確かに、順応していない人は高度 20,000 フィート以上で生き残る可能性は低いですが、順応した人は人工酸素源なしでエベレスト山 (29,029 フィート、8,848 m) の頂上に登ることができました。

図 1. 換気順化

メカニズム

高所での換気の増加に対する刺激は、動脈血中の酸素圧を監視し、分岐点に位置するピンの頭ほどの大きさの頸動脈体と呼ばれる器官内に含まれる組織で大部分およびほぼ独占的に発生します。顎の角度のレベルで、9 つの頸動脈のそれぞれにあります。 動脈血酸素圧が低下すると、頸動脈体の神経様細胞 (化学受容体細胞) がこの低下を感知し、第 2 脳神経に沿って発火率を高めます。第 XNUMX 脳神経は、インパルスを脳幹の呼吸制御中枢に直接運びます。 呼吸中枢が受け取るインパルスの数が増えると、複雑な神経経路を介して呼吸の頻度と深さが増加し、横隔膜と胸壁の筋肉が活性化されます。 その結果、肺によって換気される空気の量が増加し (図 XNUMX)、動脈酸素圧を回復するように作用します。 被験者が酸素または酸素が豊富な空気を呼吸すると、逆のことが起こります。 つまり、化学受容体細胞の発火率が低下し、呼吸中枢への神経伝達が減少し、呼吸が低下します。 首の両側にあるこれらの小さな臓器は、血液中の酸素圧の小さな変化に非常に敏感です。 また、それらは体の酸素レベルを維持するためのほぼ完全な責任を負っています.両方が損傷したり取り除かれたりすると、血中酸素レベルが低下しても換気が増加しなくなります. したがって、呼吸を制御する重要な要素は動脈血酸素圧です。 酸素レベルの減少は呼吸の増加につながり、酸素レベルの増加は呼吸の減少につながります。 いずれの場合も、実際には、血中酸素レベルを一定に維持しようとする体の努力が結果としてもたらされます。

図 2. 順化における一連のイベント

経時変化（高度での換気の増加に反対する要因）

エネルギーの持続的な生産には酸素が必要であり、組織への酸素供給が減少すると (低酸素症)、組織の機能が低下することがあります。 すべての臓器の中で、脳は酸素不足に最も敏感であり、前述のように、中枢神経系の中枢は呼吸の制御において重要です。 低酸素混合物を呼吸すると、最初の反応は換気の増加ですが、10分ほどすると、増加はある程度鈍くなります. この鈍化の原因はわかっていませんが、換気経路に関連する中枢神経機能の低下が原因であると考えられており、 低酸素換気抑制. このようなくぼみは、高高度に上昇した直後に観察されています。 うつ病は一時的なもので、おそらく中枢神経系内に組織の適応があるため、数時間しか続きません.

それにもかかわらず、最大の換気が達成されるまでには時間が必要ですが、通常は高地に行くとすぐに換気がいくらか増加し始めます. 高地に到着すると、頸動脈体の活動が増加して換気が増加し、それによって動脈血酸素圧が海面値に戻ろうとします。 しかし、これは体にジレンマをもたらします。 呼吸が増えると、二酸化炭素（CO₂) 呼気中。 COの場合₂ 体組織にあると、酸水溶液が生成され、呼気で失われると、血液を含む体液がよりアルカリ性になり、体内の酸塩基バランスが変化します. ジレンマは、酸素圧を一定に保つためだけでなく、酸塩基バランスのためにも換気が調整されていることです。 CO₂ 酸素とは逆方向の呼吸を調節します。 したがって、CO₂ 圧力 (つまり、呼吸中枢のどこかの酸性度) が上昇すると、換気が上昇し、下降すると換気が低下します。 高地に到着すると、低酸素環境によって換気が増加すると、CO が減少します。₂ アルカローシスを引き起こし、増加した換気に対抗するように作用します (図 2)。 したがって、到着時のジレンマは、体が酸素圧と酸塩基バランスの両方を一定に保つことができないということです。 人間が適切なバランスを取り戻すには、何時間も何日もかかります。

バランスを再調整する方法の 4,300 つは、腎臓が尿中のアルカリ性重炭酸塩の排泄を増加させることです。これにより、呼吸による酸度の損失が補われ、体の酸塩基バランスが海面値に回復するのに役立ちます。 重炭酸塩の腎排泄は比較的ゆっくりとしたプロセスです。 たとえば、海面から 14,110 m (3 フィート) まで上昇する場合、順化には XNUMX 日から XNUMX 日かかります (図 XNUMX)。 アルカリ性の換気抑制を減少させる腎臓のこの作用は、上昇後に換気がゆっくりと増加する主な理由であるとかつて考えられていましたが、最近の研究では、低酸素感知の感度の漸進的な増加が支配的な役割を果たしているとされています。高度に上昇した後の初期の数時間から数日間の頸動脈体の能力。 これは、 換気順化. 順化プロセスにより、事実上、CO が減少しても、低動脈酸素圧に反応して換気が上昇します。₂ 圧力が下がっています。 換気が上昇し、CO₂ 高所での順化に伴い圧力が低下し、それに伴って肺胞と動脈血内の酸素圧が上昇します。

図 3. 標高 4,300 m に到達した海抜被験者の換気順化の時間経過

高所での一時的な低酸素性換気低下の可能性と、順化は低酸素環境に入ったときにのみ始まるプロセスであるため、高所に到着すると動脈酸素圧が最小になります。 その後、図 3 に示すように、動脈血酸素圧は最初の数日間は比較的急速に上昇し、その後はゆっくりと上昇します。低酸素状態は到着後すぐに悪化するため、高所への曝露に伴う無気力や症状も最初の数時間から数日間は悪化します。 . 順応すると、通常、回復した幸福感が生まれます。

順化に必要な時間は、高度が高くなるにつれて長くなります。これは、換気の増加と酸塩基の調整が大きくなると、腎臓の代償が発生するためにより長い間隔が必要になるという概念と一致しています。 したがって、海抜 3,000 m で順応するには、海抜 6,000 m での原住民の順化に 8,000 ～ 4 日かかる場合がありますが、高度 XNUMX ～ XNUMX m を超える高度では、完全な順化が可能であっても、XNUMX 週間以上かかる場合があります (図 XNUMX)。 高度に順応した人が海面に戻ると、このプロセスは逆になります。 つまり、動脈血酸素圧が海面値まで上昇し、換気量が低下します。 COが少なくなりました₂ 呼気、およびCO₂ 血液中および呼吸中枢の圧力が上昇します。 酸塩基バランスは酸側に変化し、腎臓はバランスを回復するために重炭酸塩を保持しなければなりません. 順化の喪失に必要な時間は十分に理解されていませんが、順化プロセス自体とほぼ同じ間隔が必要なようです。 もしそうなら、仮説的には、高度からの帰還は、高度上昇の鏡像を与えます.XNUMXつの重要な例外があります.動脈酸素圧は、下降するとすぐに正常になります.

図 4. 気圧と吸気 PO2 に対する高度の影響

個人差

予想されるように、特定の高度への換気順化に必要な時間と程度は個人によって異なります。 非常に重要な理由の XNUMX つは、低酸素に対する換気応答の個人差が大きいことです。 たとえば、海面で、CO を保持している場合₂ 低酸素に対する換気反応を混同しないように圧力を一定に保つと、正常な人の中には換気がほとんどまたはまったく増加しない人もいれば、非常に大きな（最大 XNUMX 倍）増加を示す人もいます。 低酸素混合物を呼吸することに対する換気反応は、個人に固有の特徴であるように思われます。これは、家族の行動が血縁関係のない人よりも似ているためです。 予想通り、海面で低酸素に対する換気反応が悪い人は、高地では時間の経過とともに換気反応が小さくなるようです. 順化の個人差を引き起こす要因は他にもあるかもしれません。たとえば、換気抑制の大きさ、呼吸中枢の機能、酸塩基変化に対する感受性、重炭酸塩の腎臓での取り扱いなどです。評価されました。

スリープ

睡眠の質の悪さは、特に換気の順化が行われる前によくある不満であるだけでなく、作業効率を損なう要因でもあります。 感情、身体活動、食事、覚醒の程度など、多くのことが呼吸の行為を妨げます。 睡眠中に換気が低下し、低酸素または高 CO によって呼吸能力が刺激されます。₂ も減少します。 呼吸数と呼吸の深さの両方が減少します。 さらに、空気中の酸素分子が少ない高地では、呼吸の間に肺胞に蓄えられる酸素の量が少なくなります。 したがって、呼吸が数秒間停止した場合 (無呼吸と呼ばれ、高地でよく見られる現象です)、動脈酸素圧は海面よりも急速に低下します。

高高度への上昇後の最初の数晩は、定期的な呼吸停止がほとんどの場合に見られます。 これは、前述の高度の呼吸のジレンマを反映しており、周期的に機能します。低酸素刺激は換気を増加させ、二酸化炭素レベルを低下させ、呼吸を抑制し、低酸素刺激を増加させ、再び換気を刺激します。 通常、15 秒から 30 秒の無呼吸期間があり、その後に数回の非常に大きな呼吸が続きます。これにより、被験者はしばしば短時間目覚めます。その後、別の無呼吸が続きます。 無呼吸期間の結果として、動脈血酸素圧が驚くべきレベルにまで低下することがあります。 頻繁に目が覚めることがあり、総睡眠時間が正常であっても、その断片化により睡眠の質が損なわれ、落ち着きのない、または眠れない夜を過ごしたような印象があります。 酸素を与えることで低酸素刺激の循環がなくなり、アルカローシス抑制により周期的な呼吸がなくなり、通常の睡眠が回復します。

特に中年男性は、無呼吸の別の原因、つまり、いびきの一般的な原因である上気道の断続的な閉塞のリスクにもさらされています. 鼻道の奥で間欠的な閉塞が起こると、通常、海抜XNUMXメートル、高地では耳障りな騒音しか発生しませんが、このような閉塞により、動脈酸素圧が著しく低下し、睡眠不足につながる可能性があります。品質。

断続的な暴露

特に南アメリカのアンデス山脈では、労働者が標高 3,000 ～ 4,000 m を超える高地で数日間過ごした後、海面の自宅で数日間過ごす必要がある場合があります。 特定の作業スケジュール (高地では 14 日から XNUMX 日、海面では XNUMX 日から XNUMX 日) は通常、健康への配慮よりも職場の経済性によって決定されます。 ただし、経済面で考慮すべき要素は、問題の高度への順応と順応の喪失の両方に必要な間隔です。 到着時とその後の XNUMX ～ XNUMX 日後の仕事での幸福感とパフォーマンス、疲労、日常的および非日常的な機能を実行するのに必要な時間、および発生したエラーに特に注意を払う必要があります。 また、高度順化に必要な時間を最小限に抑え、覚醒時の機能を改善するための戦略も検討する必要があります。

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