Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Одним из первых признаков долговременной адаптации к высокогорным условиям служит значительное увеличение количества эритроцитов (а значит, и содержание гемоглобина). Вызывается оно эритропоэтином – гормоном, который вырабатывается в почках в ответ на низкое содержание кислорода в крови. Судя по всему, экспрессия гена эритропоэтина и последующая выработка гормона происходит из-за недостатка кислорода. Механизм этот еще не изучен полностью, однако полагают, что в самом гене (в ДНК) содержится сенсор, улавливающий содержание кислорода в клетке. Количество эритроцитов в кровеносной системе благодаря эритропоэтину увеличивается в срок от трех до пяти дней после прибытия на высоту и продолжается в течение всего времени пребывания. Объем крови, занимаемый эритроцитами (так называемый гематокрит), составляет у равнинного жителя около 40 %, но после акклиматизации он может вырасти и до 60 %.
Спортсмены часто тренируются на высоте, чтобы повысить количество эритроцитов и способность крови переносить кислород, хотя теперь некоторые вместо этого дышат воздухом с пониженным содержанием кислорода во время сна или принимают синтетический эритропоэтин (см. гл. 5). У людей с хроническими заболеваниями легких, испытывающих затруднения при дыхании (и страдающих от гипоксии), также часто наблюдается повышенное содержание эритроцитов в крови, даже на уровне моря.
Несмотря на то что увеличение количества эритроцитов повышает способность крови переносить кислород к тканям, оно одновременно повышает и вязкость крови, затрудняя работу сердца по ее перекачке. В настоящее время считается, что увеличение гематокрита приносит мало пользы (кто бы еще сообщил об этом спортсменам), и подтверждает данную точку зрения тот факт, что по количеству эритроцитов кровь лам и других высокогорных животных не отличается от крови обитателей низин. И действительно, если плотность эритроцитов слишком возрастает, последствия могут быть пагубными. Карлос Монхе еще в 1925 г. первым заметил, что у некоторых людей, проживших всю жизнь в горах, возникают симптомы, сходные с признаками острой горной болезни. Они жаловались на головную боль, головокружение, хроническую усталость, в некоторых случаях доходило до сердечной недостаточности или инсультов. Гематокрит у них достигал 80 %. Даже в нынешние времена у некоторых коренных жителей Ла-Паса (3500 м над уровнем моря) встречается цианоз (посинение губ и ногтей), а также утолщение концевых фаланг пальцев, характерное для болезни Монхе. Происходит это из-за застоя эритроцитов в капиллярах, которое приводит к замедлению скорости тока крови, а значит, и поставки кислорода к тканям. Облегчает состояние спуск с высокогорья, поэтому страдающие болезнью Монхе обречены всю жизнь существовать исключительно на уровне моря. Почему их организм вдруг теряет способность адаптироваться к высоте и почему такая болезнь чаще возникает у мужчин, чем у женщин, остается загадкой.
Самые важные факторы адаптации к большим высотам – это разительное увеличение частоты и глубины дыхания, почечная регуляция кислотности крови и снижение чувствительности к воздействию углекислого газа. Эти адаптивные механизмы обеспечивают нам возможность не только выжить, но и активно двигаться на вершине Эвереста без дополнительного кислородного оборудования.
Уроженцы равнин, перебирающиеся на высокогорье во взрослом возрасте, никогда не достигнут уровня акклиматизации тех, кто обитает там всю жизнь, даже если проживут в горах долгие годы. У коренных жителей высокогорья грудная клетка гораздо шире и бочкообразнее, соответственно больше и объем легких. Сами они при этом не особенно рослые, поэтому у них более высокие показатели отношения объема легких к размерам тела. Сердце у них тоже крупнее, чем у жителей равнин, и оно эффективнее перекачивает кровь; сеть капилляров в легких и тканях гуще, что облегчает процесс усвоения и доставки кислорода. Этими анатомическими особенностями объясняется, почему работоспособность у горцев выше, чем у низинных жителей, даже хорошо акклиматизированных. Здоровые молодые европейцы, отправляющиеся в пешие походы по Гималаям, приходят в невероятное изумление (и смущение), видя, как пожилые носильщики или молодые девушки-шерпы без особых усилий справляются с поклажей, которую они, европейцы, и поднять-то не могут, не говоря уж о том, чтобы нести на протяжении многих миль.
Эти адаптационные особенности у горцев частично врожденные, частично приобретенные, поскольку у детей низинных жителей, родившихся и выросших на высокогорье, объем легких тоже увеличивается, однако грудная клетка, как у некоторых коренных народов Анд, бочкообразной не становится.
Уроки больших высот
История высотной физиологии полна недооценки человеческих способностей. Физиологи неоднократно заявляли, что человек не способен подняться выше определенной отметки, но альпинисты постоянно эти заявления опровергали. Этот парадокс служит отличной иллюстрацией того, как в принципе развивается наука.
Началось с того, что ученые неверно определили атмосферное давление на высоте Эвереста. Первые исследователи доказали, что оно возрастает с повышением температуры (поскольку давление газа зависит от скорости, с которой молекулы бомбардируют окружающие объекты). С осовением авиации возникла необходимость выработать стандартный метод калибровки альтиметров, и для удобства в нем была принята стандартная температура на уровне моря и стандартная скорость ее падения с увеличением высоты. Таким образом, сезонные колебания температур в расчет не принимались, равно как и изменения плотности атмосферы по долготе (на экваторе плотность выше, на полюсах – ниже){9}. Поскольку в результате проведенных по этому стандартному методу расчетов давление на вершине Эвереста получалось ниже (236 торр), чем на самом деле, некоторые ученые пришли к выводу, что без дополнительного кислорода на вершине человек выжить не сможет. Самые проницательные догадывались, что атмосферное давление посчитано неправильно, однако все равно не представляли, каким оно должно быть на самом деле. И только в 1981 г., когда состоялась Американская медицинская исследовательская экспедиция на Эверест, доктор Крис Пиццо измерил атмосферное давление на вершине, и оно составило 253 торра. История эта показывает, как важно с предельной точностью выверять каждую переменную при расчетах и как опасно основываться на расчетных данных, а не на измерениях. Надо, впрочем, отметить, что, будь Эверест расположен на каком-нибудь из полюсов, атмосферное давление там действительно оказалось бы слишком низким и человек не смог бы выжить на вершине без дополнительного кислорода.
Другая ошибка вкралась в расчеты содержания кислорода в легких на вершине Эвереста. Одной из первых попытку комплексного изучения долговременной адаптации к высоте предприняла в 1911 г. Мейбл Пьюрфой Фицджеральд во время экспедиции Оксфордского университета на пик Пайка в Колорадо, под руководством знаменитого физиолога Джона Скотта Холдейна. Фицджеральд изучала физиологию в Оксфорде. В то время женщинам уже разрешали сдавать экзамены (недавняя уступка), но их фамилии в списки групп не вносились и диплом им не вручали. Мейбл, однако, удалось закончить курс с отличием. Она осталась работать в Оксфорде, на факультете физиологии, и провела ряд исследований в области дыхания. В 1911 г. вместе с Холдейном, Гордоном Дугласом (еще одним знаменитым физиологом) и другими исследователями Мейбл отправилась на пик Пайка – одну из самых высоких вершин в Соединенных Штатах (4302 м). Целью экспедиции было изучить влияние высокогорных условий на организм человека (т. е. организм участников). Экспедиция не была спортивной – фуникулер на паровой тяге доставил ученых прямо на вершину, увенчанную небольшой избушкой, известной как «Вершинный дом». Там мужчины расположились с относительным комфортом, однако Мейбл пришлось размещаться отдельно – возможно, из-за трудностей с организацией ночлега. Поэтому ее отправили на муле на нижний уступ, чтобы она изучала там содержание гемоглобина в крови и углекислого газа в выдыхаемом воздухе у местных горняков.
Усилия ее увенчались успехом. Фицджеральд подтвердила более ранние наблюдения, что содержание гемоглобина в крови, а значит и количество эритроцитов, у акклиматизировавшегося человека повышается. Кроме того, ее данные демонстрировали на удивление прямую зависимость между высотой и парциальным давлением углекислого газа в воздухе, выдыхаемом из альвеол. Экстраполировав эту зависимость на высоту 8848 м (высоту Эвереста), вычислили, что парциальное давление альвеолярного углекислого газа должно составлять около 15 торр{10}. При таком уровне углекислого газа парциальное давление кислорода в легких составляет около 20 торр, далеко за пределами выживания для человека. Поэтому долгие годы на этих вычислениях основывалась ошибочная уверенность, что без дополнительного кислорода достичь вершины Эвереста не удастся. Теперь, оглядываясь назад, нетрудно понять, откуда взялась эта ошибка. Дело в том, что выше 5500 м зависимость между высотой и парциальным давлением углекислого газа в альвеолах уже не линейная, поскольку там начинается значительное учащение дыхания. Соответственно, парциальное давление кислорода в альвеолах на вершине Эвереста гораздо выше, чем предполагалось (35 торр, а не 20), и при нем вполне можно существовать, как продемонстрировали многочисленные альпинисты. Этот пример показывает, как рискованно экстраполировать выводы за пределы исследованной области (результаты исследований Мейбл ограничивались отметкой 4270 м), поскольку нет гарантии, что отмеченные закономерности сохранятся.
