home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / schoolsucks / altitude.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  25KB  |  420 lines

  1. THE EFFECTS OF ALTITUDE ON HUMAN PHYSIOLOGY
  2.  
  3.  
  4.  
  5.         Changes in altitude have a profound effect on the human body. The body
  6. attempts to maintain a state of homeostasis or balance to ensure the optimal
  7. operating environment for its complex chemical systems. Any change from this
  8. homeostasis is a change away from the optimal operating environment. The body
  9. attempts to correct this imbalance. One such imbalance is the effect of
  10. increasing altitude on the body's ability to provide adequate oxygen to be
  11. utilized in cellular respiration. With an increase in elevation, a typical
  12. occurrence when climbing mountains, the body is forced to respond in various
  13. ways to the changes in external
  14. environment. Foremost of these changes is the diminished ability to obtain
  15. oxygen from the atmosphere. If the adaptive responses to this stressor are
  16. inadequate the performance of body systems may decline dramatically. If
  17. prolonged the results can be serious or even fatal. In looking at the effect
  18. of altitude on body functioning we first must understand what occurs in the
  19. external environment at higher elevations and then observe the important
  20. changes that occur in the internal environment of the body in response.
  21.  
  22. HIGH ALTITUDE
  23.         In discussing altitude change and its effect on the body mountaineers
  24. generally define altitude according to the scale of high (8,000 - 12,000
  25. feet), very high (12,000 - 18,000 feet), and extremely high (18,000+ feet),
  26. (Hubble, 1995). A common misperception of the change in external environment
  27. with increased altitude is that there is decreased oxygen. This is not
  28. correct as the concentration of oxygen at sea level is about 21% and stays
  29. relatively unchanged until over 50,000 feet (Johnson, 1988).
  30.         What is really happening is that the atmospheric pressure is decreasing and
  31. subsequently the amount of oxygen available in a single breath of air is
  32. significantly less. At sea level the barometric pressure averages 760 mmHg
  33. while at 12,000 feet it is only 483 mmHg. This decrease in total atmospheric
  34. pressure means that there are 40% fewer oxygen molecules per breath at this
  35. altitude compared to sea level (Princeton, 1995).
  36.  
  37. HUMAN RESPIRATORY SYSTEM
  38.         The human respiratory system is responsible for bringing oxygen into the
  39. body and transferring it to the cells where it can be utilized for cellular
  40. activities. It also removes carbon dioxide from the body. The respiratory
  41. system draws air initially either through the mouth or nasal passages. Both
  42. of these passages join behind the hard palate to form the pharynx. At the
  43. base of the pharynx are two openings. One, the esophagus, leads to the
  44. digestive system while the other, the glottis, leads to the lungs. The
  45. epiglottis covers the glottis when swallowing so that food does not enter the
  46. lungs. When the epiglottis is not covering the opening to the lungs air may
  47. pass freely into and out of the trachea.
  48.         The trachea sometimes called the "windpipe" branches into two bronchi which
  49. in turn lead to a lung. Once in the lung the bronchi branch many times into
  50. smaller bronchioles which eventually terminate in small sacs called alveoli.
  51. It is in the alveoli that the actual transfer of oxygen to the blood takes
  52. place.
  53.         The alveoli are shaped like inflated sacs and exchange gas through a
  54. membrane. The passage of oxygen into the blood and carbon dioxide out of the
  55. blood is dependent on three major factors: 1) the partial pressure of the
  56. gases, 2) the area of the pulmonary surface, and 3) the thickness of the
  57. membrane (Gerking, 1969). The membranes in the alveoli provide a large
  58. surface area for the free exchange of gases. The typical thickness of the
  59. pulmonary membrane is less than the thickness of a red blood cell. The
  60. pulmonary surface and the thickness of the alveolar membranes are not
  61. directly affected by a change in altitude. The partial pressure of oxygen,
  62. however, is directly related to altitude and affects gas transfer in the
  63. alveoli.
  64.  
  65. GAS TRANSFER
  66.         To understand gas transfer it is important to first understand something
  67. about the
  68. behavior of gases. Each gas in our atmosphere exerts its own pressure and
  69. acts independently of the others. Hence the term partial pressure refers to
  70. the contribution of each gas to the entire pressure of the atmosphere. The
  71. average pressure of the atmosphere at sea level is approximately 760 mmHg.
  72. This means that the pressure is great enough to support a column of mercury
  73. (Hg) 760 mm high. To figure the partial pressure of oxygen you start with the
  74. percentage of oxygen present in the atmosphere which is about 20%. Thus
  75. oxygen will constitute 20% of the total atmospheric pressure at any given
  76. level. At sea level the total atmospheric pressure is 760 mmHg so the partial
  77. pressure of O2 would be approximately 152 mmHg.
  78.  
  79.                                 760 mmHg x 0.20 = 152 mmHg
  80.  
  81. A similar computation can be made for CO2 if we know that the concentration
  82. is approximately 4%. The partial pressure of CO2 would then be about 0.304
  83. mmHg at sea level.
  84.         Gas transfer at the alveoli follows the rule of simple diffusion. Diffusion
  85. is movement of molecules along a concentration gradient from an area of high
  86. concentration to an area of lower concentration. Diffusion is the result of
  87. collisions between molecules. In areas of higher concentration there are more
  88. collisions. The net effect of this greater number of collisions is a movement
  89. toward an area of lower concentration. In Table 1 it is apparent that the
  90. concentration gradient favors the diffusion of oxygen into and carbon dioxide
  91. out of the blood (Gerking, 1969). Table 2 shows the decrease in partial
  92. pressure of oxygen at increasing altitudes (Guyton, 1979).
  93.  
  94.  
  95. Table 1
  96.                 ATMOSPHERIC AIR         ALVEOLUS                VENOUS BLOOD
  97. OXYGEN            152 mmHg (20%)         104 mmHg (13.6%)       40 mmHg
  98. CARBON DIOXIDE  0.304 mmHg (0.04%)      40 mmHg (5.3%)  45 mmHg
  99.  
  100.  
  101. Table 2
  102. ALTITUDE (ft.)  BAROMETRIC PRESSURE (mmHg)      Po2 IN AIR  (mmHg)      Po2 IN ALVEOLI
  103. (mmHg)  ARTERIAL OXYGEN SATURATION (%)
  104.  0                    760               159*    104             97
  105.  10,000         523             110             67              90
  106.  20,000         349             73              40              70
  107.  30,000         226             47              21              20
  108.  40,000         141             29              8               5
  109.  50,000         87              18              1               1
  110.  
  111.         *this value differs from table 1 because the author used the value for the
  112. concentration of O2 as 21%.
  113. The author of table 1 choose to use the value as 20%.
  114.  
  115.  
  116. CELLULAR RESPIRATION
  117.         In a normal, non-stressed state, the respiratory system transports oxygen
  118. from the lungs to the cells of the body where it is used in the process of
  119. cellular respiration. Under normal conditions this transport of oxygen is
  120. sufficient for the needs of cellular respiration. Cellular respiration
  121. converts the energy in chemical bonds into energy that can be used to power
  122. body processes. Glucose is the molecule most often used to fuel this process
  123. although the body is capable of using other organic molecules for energy.
  124.         The transfer of oxygen to the body tissues is often called internal
  125. respiration (Grollman, 1978). The process of cellular respiration is a
  126. complex series of chemical steps that ultimately allow for the breakdown of
  127. glucose into usable energy in the form of ATP (adenosine triphosphate). The
  128. three main steps in the process are: 1) glycolysis, 2) Krebs cycle, and 3)
  129. electron transport system. Oxygen is required for these processes to function
  130. at an efficient level. Without the presence of oxygen the pathway for energy
  131. production must proceed anaerobically. Anaerobic respiration sometimes called
  132. lactic acid fermentation produces significantly less ATP (2 instead of 36/38)
  133. and due to this great inefficiency will quickly exhaust the available supply
  134. of glucose. Thus the anaerobic pathway is not a permanent solution for the
  135. provision of energy to the body in the absence of sufficient oxygen.
  136.         The supply of oxygen to the tissues is dependent on: 1) the efficiency with
  137. which blood is oxygenated in the lungs, 2) the efficiency of the blood in
  138. delivering oxygen to the tissues, 3) the efficiency of the respiratory
  139. enzymes within the cells to transfer hydrogen to molecular oxygen (Grollman,
  140. 1978). A deficiency in any of these areas can result in the body cells not
  141. having an adequate supply of oxygen. It is this inadequate supply of oxygen
  142. that results in difficulties for the body at higher elevations.
  143.  
  144. ANOXIA
  145.         A lack of sufficient oxygen in the cells is called anoxia. Sometimes the
  146. term hypoxia, meaning less oxygen, is used to indicate an oxygen debt. While
  147. anoxia literally means "no oxygen" it is often used interchangeably with
  148. hypoxia. There are different types of anoxia based on the cause of the oxygen
  149. deficiency. Anoxic anoxia refers to defective oxygenation of the blood in the
  150. lungs. This is the type of oxygen deficiency that is of concern when
  151. ascending to greater altitudes with a subsequent decreased partial pressure
  152. of O2. Other types of oxygen deficiencies include: anemic anoxia (failure of
  153. the blood to transport adequate quantities of oxygen), stagnant anoxia (the
  154. slowing of the circulatory system), and histotoxic anoxia (the failure of
  155. respiratory enzymes to adequately function).
  156.         Anoxia can occur temporarily during normal respiratory system regulation of
  157. changing cellular needs. An example of this would be climbing a flight of
  158. stairs. The increased oxygendemand of the cells in providing the mechanical
  159. energy required to climb ultimately produces a local hypoxia in the muscle
  160. cell. The first noticeable response to this external stress is usually an
  161. increase in breathing rate. This is called increased alveolar ventilation.
  162. The rate of our breathing is determined by the need for O2 in the cells and
  163. is the first response to hypoxic conditions.
  164.  
  165. BODY RESPONSE TO ANOXIA
  166.         If increases in the rate of alveolar respiration are insufficient to supply
  167. the oxygen needs of the cells the respiratory system responds by general
  168. vasodilation. This allows a greater flow of blood in the circulatory system.
  169. The sympathetic nervous system also acts to stimulate vasodilation within the
  170. skeletal muscle. At the level of the capillaries the normally closed
  171. precapillary sphincters open allowing a large flow of blood through the
  172. muscles. In turn the cardiac output increases both in terms of heart rate and
  173. stroke volume. The stroke volume, however, does not substantially increase in
  174. the non-athlete (Langley, et.al., 1980). This demonstrates an obvious benefit
  175. of regular exercise and physical conditioning particularly for an individual
  176. who will be exposed to high altitudes. The heart rate is increased by the
  177. action of the
  178. adrenal medulla which releases catecholamines. These catecholamines work
  179. directly on the myocardium to strengthen contraction. Another compensation
  180. mechanism is the release of renin by the kidneys. Renin leads to the
  181. production of angiotensin which serves to increase blood pressure (Langley,
  182. Telford, and Christensen, 1980). This helps to force more blood into
  183. capillaries. All of these changes are a regular and normal response of the
  184. body to external stressors. The question involved with altitude changes
  185. becomes what happens when the normal responses can no longer meet the oxygen
  186. demand from the cells?
  187.  
  188. ACUTE MOUNTAIN SICKNESS
  189.         One possibility is that Acute Mountain Sickness (AMS) may occur. AMS is
  190. common at high altitudes. At elevations over 10,000 feet, 75% of people will
  191. have mild symptoms (Princeton, 1995). The occurrence of AMS is dependent upon
  192. the elevation, the rate of ascent to that elevation, and individual
  193. susceptibility.
  194.         Acute Mountain Sickness is labeled as mild, moderate, or severe dependent on
  195. the presenting symptoms. Many people will experience mild AMS during the
  196. process of acclimatization to a higher altitude. In this case symptoms of AMS
  197. would usually start 12-24 hours after arrival at a higher altitude and begin
  198. to decrease in severity about the third day. The symptoms of mild AMS are
  199. headache, dizziness, fatigue, shortness of breath, loss of appetite, nausea,
  200. disturbed sleep, and a general feeling of malaise (Princeton, 1995). These
  201. symptoms tend to increase at night when respiration is slowed during sleep.
  202. Mild AMS does not interfere with normal activity and symptoms generally
  203. subside spontaneously as the body acclimatizes to
  204. the higher elevation.
  205.         Moderate AMS includes a severe headache that is not relieved by medication,
  206. nausea and vomiting, increasing weakness and fatigue, shortness of breath,
  207. and decreased coordination called  ataxia (Princeton, 1995). Normal activity
  208. becomes difficult at this stage of AMS, although the person may still be able
  209. to walk on their own.  A test for moderate AMS is to have the individual
  210. attempt to walk a straight line heel to toe. The person with ataxia will be
  211. unable to walk a straight line. If ataxia is indicated it is a clear sign
  212. that immediate descent is required. In the case of hiking or climbing it is
  213. important to get the affected individual to descend before the ataxia reaches
  214. the point where they can no longer walk on their own.
  215.         Severe AMS presents all of the symptoms of mild and moderate AMS at an
  216. increased level of severity. In addition there is a marked shortness of
  217. breath at rest, the inability to walk, a decreasing mental clarity, and a
  218. potentially dangerous fluid buildup in the lungs.
  219.  
  220. ACCLIMATIZATION
  221.         There is really no cure for Acute Mountain Sickness other than
  222. acclimatization or
  223. descent to a lower altitude. Acclimatization is the process, over time, where
  224. the body adapts to the decrease in partial pressure of oxygen molecules at a
  225. higher altitude. The major cause of altitude illnesses is a rapid increase in
  226. elevation without an appropriate acclimatization period. The process of
  227. acclimatization generally takes 1-3 days at the new altitude. Acclimatization
  228. involves several changes in the structure and function of the body. Some of
  229. these changes happen immediately in response to reduced levels of oxygen
  230. while others are a slower adaptation. Some of the most significant changes
  231. are:
  232.  
  233.         Chemoreceptor mechanism increases the depth of alveolar ventilation. This
  234. allows for an increase in ventilation of about 60% (Guyton, 1969). This is an
  235. immediate response to oxygen debt. Over a period of several weeks the
  236. capacity to increase alveolar ventilation may increase 600-700%.
  237.  
  238.         Pressure in pulmonary arteries is increased, forcing blood into portions of
  239. the
  240. lung which are normally not used during sea level breathing.
  241.  
  242.         The body produces more red blood cells in the bone marrow to carry oxygen.
  243. This process may take several weeks. Persons who live at high altitude often
  244. have red blood cell counts 50% greater than normal.
  245.  
  246.         The body produces more of the enzyme 2,3-biphosphoglycerate that facilitates
  247. the release of oxygen from hemoglobin to the body tissues (Tortora, 1993).
  248.  
  249. The acclimatization process is slowed by dehydration, over-exertion, alcohol
  250. and other depressant drug consumption. Longer term changes may include an
  251. increase in the size of the alveoli, and decrease in the thickness of the
  252. alveoli membranes. Both of these changes allow for more gas transfer.
  253.  
  254. TREATMENT FOR AMS
  255.         The symptoms of mild AMS can be treated with pain medications for headache.
  256. Some physicians recommend the medication Diamox (Acetazolamide). Both Diamox
  257. and headache medication appear to reduce the severity of symptoms, but do not
  258. cure the underlying problem of oxygen debt. Diamox, however, may allow the
  259. individual to metabolize more oxygen by breathing faster. This is especially
  260. helpful at night when respiratory drive is decreased. Since it takes a while
  261. for Diamox to have an effect, it is advisable to start taking it 24 hours
  262. before going to altitude. The recommendation of the Himalayan Rescue
  263. Association Medical Clinic is 125 mg.
  264. twice a day. The standard dose has been 250 mg., but their research shows no
  265. difference with the lower dose (Princeton, 1995). Possible side effects
  266. include tingling of the lips and finger tips, blurring of vision, and
  267. alteration of taste. These side effects may be reduced with the 125 mg. dose.
  268. Side effects subside when the drug is stopped. Diamox is a sulfonamide drug,
  269. so people who are allergic to sulfa drugs such as penicillin should not take
  270. Diamox. Diamox has also been known to cause severe allergic reactions to
  271. people with no previous history of Diamox or sulfa
  272. allergies. A trial course of the drug is usually conducted before going to a
  273. remote location where a severe allergic reaction could prove difficult to
  274. treat. Some recent data suggests that the medication Dexamethasone may have
  275. some effect in reducing the risk of mountain sickness when used in
  276. combination with Diamox (University of Iowa, 1995).
  277.         Moderate AMS requires advanced medications or immediate descent to reverse
  278. the problem. Descending even a few hundred feet may help and definite
  279. improvement will be seen in descents of 1,000-2,000 feet. Twenty-four hours
  280. at the lower altitude will result in significant improvements. The person
  281. should remain at lower altitude until symptoms have subsided (up to 3 days).
  282. At this point, the person has become acclimatized to that altitude and can
  283. begin ascending again. Severe AMS requires immediate descent to lower
  284. altitudes (2,000 - 4,000 feet). Supplemental oxygen may be helpful in
  285. reducing the effects of altitude sicknesses but does not overcome all the
  286. difficulties that may result from the lowered barometric pressure.
  287.  
  288. GAMOW BAG
  289.         This invention has revolutionized field treatment of high altitude
  290. illnesses. The Gamow bag is basically a portable sealed chamber with a pump.
  291. The principle of operation is identical to the hyperbaric chambers used in
  292. deep sea diving. The person is placed inside the bag and it is inflated.
  293. Pumping the bag full of air effectively increases the concentration of oxygen
  294. molecules and therefore simulates a descent to lower altitude. In as little
  295. as 10 minutes the bag creates an atmosphere that corresponds to that at 3,000
  296. - 5,000 feet lower. After 1-2 hours in the bag, the
  297. person's body chemistry will have reset to the lower altitude. This lasts for
  298. up to 12 hours outside of the bag which should be enough time to travel to a
  299. lower altitude and allow for further acclimatization. The bag and pump weigh
  300. about 14 pounds and are now carried on most major high altitude expeditions.
  301. The gamow bag is particularly important where the possibility of immediate
  302. descent is not feasible.
  303.  
  304. OTHER ALTITUDE-INDUCED ILLNESS
  305.         There are two other severe forms of altitude illness. Both of these happen
  306. less
  307. frequently, especially to those who are properly acclimatized. When they do
  308. occur, it is usually the result of an increase in elevation that is too rapid
  309. for the body to adjust properly. For reasons not entirely understood, the
  310. lack of oxygen and reduced pressure often results in leakage of fluid through
  311. the capillary walls into either the lungs or the brain. Continuing to higher
  312. altitudes without proper acclimatization can lead to potentially serious,
  313. even life-threatening illnesses.
  314.  
  315. HIGH ALTITUDE PULMONARY EDEMA (HAPE)
  316.         High altitude pulmonary edema results from fluid buildup in the lungs. The
  317. fluid in the lungs interferes with effective oxygen exchange. As the
  318. condition becomes more severe, the level of oxygen in the bloodstream
  319. decreases, and this can lead to cyanosis, impaired cerebral function, and
  320. death. Symptoms include shortness of breath even at rest, tightness in the
  321. chest,
  322. marked fatigue, a feeling of impending suffocation at night, weakness, and a
  323. persistent productive cough bringing up white, watery, or frothy fluid
  324. (University of Iowa, 1995.). Confusion, and irrational behavior are signs
  325. that insufficient oxygen is reaching the brain. One of the methods for
  326. testing for HAPE is to check recovery time after exertion. Recovery time
  327. refers to the time after exertion that it takes for heart rate and
  328. respiration to return to near normal. An increase in this time may mean fluid
  329. is building up in the lungs. If a case of HAPE is suspected an immediate
  330. descent is a necessary life-saving measure (2,000 - 4,000 feet). Anyone
  331. suffering
  332. from HAPE must be evacuated to a medical facility for proper follow-up
  333. treatment. Early data suggests that nifedipine may have a protective effect
  334. against high altitude pulmonary edema (University of Iowa, 1995).
  335.  
  336. HIGH ALTITUDE CEREBRAL EDEMA (HACE)
  337.         High altitude cerebral edema results from the swelling of brain tissue from
  338. fluid leakage. Symptoms can include headache, loss of coordination (ataxia),
  339. weakness, and decreasing levels of consciousness including, disorientation,
  340. loss of memory, hallucinations, psychotic behavior, and coma. It generally
  341. occurs after a week or more at high altitude. Severe instances can lead to
  342. death if not treated quickly. Immediate descent is a necessary life-saving
  343. measure (2,000 - 4,000 feet).  Anyone suffering from HACE must be evacuated
  344. to a medical facility for proper follow-up
  345. treatment.
  346.  
  347. CONCLUSION
  348.         The importance of oxygen to the functioning of the human body is critical.
  349. Thus the effect of decreased partial pressure of oxygen at higher altitudes
  350. can be pronounced. Each individual adapts at a different speed to exposure to
  351. altitude and it is hard to know who may be affected by altitude sickness.
  352. There are no specific factors such as age, sex, or physical condition that
  353. correlate with susceptibility to altitude sickness. Most people can go up to
  354. 8,000 feet with minimal effect. Acclimatization is often accompanied by fluid
  355. loss, so the ingestion of large amounts of fluid to remain properly hydrated
  356. is important (at least 3-4 quarts per day). Urine output should be copious
  357. and clear.
  358.         From the available studies on the effect of altitude on the human body it
  359. would appear apparent that it is important to recognize symptoms early and
  360. take corrective measures. Light activity during the day is better than
  361. sleeping because respiration decreases during sleep, exacerbating the
  362. symptoms. The avoidance of tobacco, alcohol, and other depressant drugs
  363. including, barbiturates, tranquilizers, and sleeping pills is important.
  364. These depressants further decrease the respiratory drive during sleep
  365. resulting in a worsening of the symptoms. A high carbohydrate diet (more than
  366. 70% of your calories from carbohydrates) while at altitude also
  367. appears to facilitate recovery.
  368.         A little planning and awareness can greatly decrease the chances of altitude
  369. sickness. Recognizing early symptoms can result in the avoidance of more
  370. serious consequences of altitude sickness. The human body is a complex
  371. biochemical organism that requires an adequate supply of oxygen to function.
  372. The ability of this organism to adjust to a wide range of conditions is a
  373. testament to its survivability. The decreased partial pressure of oxygen with
  374. increasing
  375. altitude is one of these adaptations.
  376.  
  377.  
  378. Sources:
  379. Electric Differential Multimedia Lab, Travel Precautions and Advice,
  380. University of Iowa Medical College, 1995.
  381.  
  382. Gerking, Shelby D., Biological Systems, W.B. Saunders Company, 1969.
  383.  
  384. Grolier Electronic Publishing, The New Grolier Multimedia Encyclopedia, 1993.
  385.  
  386. Grollman, Sigmund, The Human Body: Its Structure and Physiology, Macmillian
  387. Publishing Company, 1978.
  388.  
  389. Guyton, Arthur C., Physiology of the Human Body, 5th Edition, Saunders
  390. College Publishing, 1979.
  391.  
  392. Hackett, P., Mountain Sickness, The Mountaineers, Seattle, 1980.
  393.  
  394. Hubble, Frank, High Altitude Illness, Wilderness Medicine Newsletter,
  395. March/April 1995.
  396.  
  397. Hubble, Frank, The Use of Diamox in the Prevention of Acute Mountain
  398. Sickness, Wilderness Medicine Newsletter, March/April 1995.
  399.  
  400. Isaac, J. and Goth, P., The Outward Bound Wilderness First Aid Handbook,
  401. Lyons & Burford, New  1991.
  402.  
  403. Johnson, T., and Rock, P., Acute Mountain Sickness, New England Journal of
  404. Medicine, 1988:319:841-5
  405.  
  406. Langley, Telford, and Christensen, Dynamic Anatomy and Physiology,
  407. McGraw-Hill, 1980.
  408.  
  409.  
  410. Princeton University, Outdoor Action Program, 1995.
  411.  
  412. Starr, Cecie, and Taggart, Ralph, Biology: The Unity and Diversity of Life,
  413. Wadsworth Publishing Company, 1992.
  414.  
  415. Tortora, Gerard J., and Grabowski, Sandra, Principles of Anatomy and
  416. Physiology, Seventh Edition, Harper Collins College Publishers, 1993.
  417.  
  418. Wilkerson., J., Editor, Medicine for Mountaineering, Fourth Edition, The
  419. Mountaineers, Seattle, 1992.
  420.