Недостаток кислорода: от дыхательного ответа до эритропоэза
При подъёме в горы снижается парциальное давление кислорода, а не «исчезает» весь кислород. Ответ организма меняется со временем: вентиляция ускоряется раньше, чем заметно меняется образование эритроцитов.
Федеральная программа · углублённый уровень · 9 класс
Адаптации организма человека
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Низкая доступность кислорода на высоте
- Парциальное давление и диффузия
- Гипоксия и её причины
- Вентиляционный ответ
- Клеточное восприятие гипоксии
- Эритропоэтин и эритропоэз
- Гемоглобин и перенос кислорода
- Перестройка клеточного обмена
- Различие акклиматизации и эволюционной адаптации
- Безопасность на высоте
Как это устроено
На высоте процент кислорода в сухом воздухе остаётся примерно тем же, но атмосферное давление падает. Поэтому уменьшается парциальное давление кислорода и меняется градиент его перехода из альвеол в кровь. Гипоксия — свойство обеспечения тканей кислородом, а гипоксемия описывает кислород в артериальной крови; они связаны, но не равны. Дыхательные, сердечно-сосудистые и кровяные нарушения тоже могут вызвать гипоксию без гор. По одной жалобе или учебной диаграмме нельзя установить её причину.
Быстрый ответ включает изменение вентиляции и работы сердца. Более медленный ответ связан с клеточными сигнальными путями, в том числе HIF: почка может увеличить выделение эритропоэтина, а костный мозг — образование эритроцитов. Для этого нужны ресурсы, включая железо. Избыточный рост концентрации эритроцитов не безусловно полезен: вязкость крови и нагрузка на систему кровообращения тоже имеют значение. Нельзя обещать, что каждый человек на высоте станет одинаково «лучше переносить кислород».
На уровне клеток изменение доставки кислорода влияет на использование окислительных путей получения АТФ, активность генов и распределение топлива. Гликолиз может давать АТФ без прямого использования кислорода, но его энергетический выход ограничен. Акклиматизация — изменения одного организма в течение жизни; эволюционная адаптация популяций горцев формируется на протяжении многих поколений и может включать другие сочетания признаков. Нельзя объяснять все различия популяций только числом эритроцитов.
Для безопасного учебного исследования подойдут опубликованные графики давления воздуха, частоты дыхания и уровня гемоглобина по времени после подъёма. Сопоставляйте временные шкалы и указывайте переменные, не заставляя одноклассников задерживать дыхание или испытывать нехватку кислорода. Быстрый подъём может вызвать горную болезнь; при ухудшении состояния нужна профессиональная помощь и снижение высоты по рекомендациям специалистов. Экспериментировать с гипоксией дома или в школе нельзя.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Парциальное давление кислорода
Часть общего давления газовой смеси, приходящаяся на кислород и влияющая на его перемещение между воздухом, кровью и тканями.
Пример: На большой высоте атмосферное давление ниже, поэтому ниже и парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе.
- Гипоксия
Недостаточное снабжение тканей кислородом относительно их потребности, возникающее по разным причинам и не равное одной конкретной болезни.
Пример: Гипоксия возможна при нарушении дыхания, кровообращения или снижении доступности кислорода на высоте.
- Гипоксемия
Снижение содержания или парциального давления кислорода в артериальной крови, которое может быть одной из причин тканевой гипоксии.
Пример: Низкий показатель кислорода в крови и состояние ткани связаны, но не полностью тождественны.
- Вентиляционный ответ
Изменение частоты и глубины дыхания в ответ на сигналы о газовом составе и кислотно-основном состоянии крови.
Пример: После подъёма на высоту дыхание может учащаться ещё до заметного роста числа эритроцитов.
- Акклиматизация
Обратимая физиологическая перестройка организма одного человека при изменении условий среды в течение дней и недель.
Пример: Часть ответов на высоту постепенно развивается после приезда и ослабевает после возвращения вниз.
- Эритропоэз
Образование и созревание эритроцитов в костном мозге при участии факторов роста и доступности необходимых веществ.
Пример: Нехватка кислорода может усилить сигналы, способствующие образованию эритроцитов.
- Эритропоэтин
Гормональный сигнал, в основном производимый почками и стимулирующий образование эритроцитов в костном мозге.
Пример: Почка участвует не только в фильтрации, но и в ответе крови на недостаток кислорода.
- HIF
Группа белковых регуляторов ответа клеток на снижение доступности кислорода, изменяющих активность ряда генов.
Пример: Сигнальный путь HIF связан с изменением выработки эритропоэтина и клеточного обмена.
- Гемоглобин
Белок эритроцитов с железосодержащими группами, связывающий кислород в лёгких и отдающий его тканям.
Пример: Больше эритроцитов не всегда означает лучший перенос кислорода: важны и состояние сердца, и свойства крови.
- Митохондриальное дыхание
Система клеточных реакций, использующая кислород для эффективного образования АТФ из продуктов обмена органических веществ.
Пример: Когда доступного кислорода мало, клетки меняют соотношение путей получения энергии.
- Анаэробный гликолиз
Часть расщепления глюкозы, дающая АТФ без прямого участия кислорода, но значительно меньше на молекулу глюкозы, чем полное окисление.
Пример: При краткой интенсивной нагрузке вклад гликолиза растёт, однако длительная гипоксия опасна для тканей.
Пример по шагам
У путешественника дыхание участилось в первый час подъёма, а изменение числа эритроцитов обнаружили лишь позже. Почему это не противоречие?
- Нервная регуляция вентиляции меняет дыхание быстро.
- Выработка эритропоэтина и созревание новых эритроцитов требуют времени.
- Оба ответа направлены на снабжение тканей кислородом, но работают на разных временных шкалах.
Вывод: Акклиматизация складывается из быстрых и медленных реакций, а не одного механизма.
Практическая работа
Графики высоты без опасного опыта
- На опубликованной диаграмме сравните атмосферное давление на двух высотах, сохранив одинаковую долю кислорода.
- Постройте причинную цепь от давления к градиенту перехода кислорода и к возможному дыхательному ответу.
- Отметьте, какие изменения ожидаются быстрее, а какие требуют дней и недель.
Что можно заключить: Высотная гипоксия связана прежде всего со снижением парциального давления кислорода и запускает ответы разной скорости.
Безопасность: Не проводите задержку дыхания, гипоксические тренировки или подъём на высоту как школьный эксперимент; используйте только опубликованные данные.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.