Från största djup till högsta höjd med omgivningsfysiologerna ... - GIH

Foto Robert deBruijn
S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 0 6
Från största djup till högsta höjd
med omgivningsfysiologerna
Hur kan man simma ner till 100 m djup utan att andas, och upp igen? Hur anpassar sig kroppen
vid en klättring till 6000 meters höjd? Vi söker svaren på frågor om människans överlevnad och
prestation i extrema miljöer. En del av omgivningsfysiologin – barofysiologin – handlar om hur
tryck påverkar kroppen och prestationsförmågan: På stora djup är trycket många gånger högre än
vid havsytan och på hög höjd bara bråkdelen, vilket påverkar kroppen t ex när det gäller gasutbytet.
Gemensamt för både andhållnings- (apné-) dykaren och alpinisten är en brist på syre som
kroppen måste anpassa sig till för att överleva. Men medan apnédykaren råkar ut för en kraftig
syrebrist mot slutet av varje dyk, drabbas alpinisten av en mer konstant, men oftast måttligare
syrebrist. Vilken effekt har det på kroppen?
6
Erika Schagatay Matt richardSon
INSTITuTIONEN FöR NaTuRVETENSKap
MITTuNIVERSITETET, SuNDSVall
Lägsta möjliga syreupptagning och
puls
Medan skidåkaren strävar efter att öka
sin maximala syreupptagning, försöker
fridykaren att minimera syreupptagningen.
Det kräver en annan sorts
träning. Den som har lägst syreupptagning,
i förhållande till kapaciteten
att lagra syre och buffra koldioxid, har
bäst chans att vinna i statisk apnea,
en tävlingsgren som går ut på att hålla
andan längst tid under vattnet. En av
världens bästa dykare är Carlos Coste,
från Venezuela (Bild 2). Carlos tävlar i
alla kategorier av apnea – sporten där
den som har lägst puls vinner. Bland
hans rekord kan noteras att han var
första dykare att passera den magiska
djupgränsen 100 m i grenen konstantvikt
apnea, där man simmar ner utan
hjälp av extra vikter eller lyftsäckar,
med ett dyk till 102 m i juni 2004.
Han slog världsrekord igen med 105
m i konstant vikt i September 2005.
Världsrekordet i grenen i skrivande
stund är 108 m och innehas av tjecken
Martin Stepanek.
Sporten kan vara riskfylld
En kvinna är i toppen – eller kanske
snarare närmast botten i flera grenar
inom apnea: Tanya Streeter från USA.
Hon slog 2002 det absoluta världsrekordet
i ”no limits apnea”- djupdykning
med extra vikter och lyftsäckar,
med 160 m. När hennes främste
kvinnlige konkurrent Audrey Mestre
försökte slå rekordet samma år, ledde
det till hennes död. Allt tyder på att
olyckan berodde på tekniska problem,
inte fysiologiska. Det nuvarande rekordet
i ”no limits” på 172 m innehas av
Österrikaren Herbert Nitsch. På internationella
tävlingar tillämpas strikta
säkerhetsrutiner, och risken är ofta
större vid träning än vid tävling. Även
fridykning på rekreationsnivå innehåller
risker, och utövande bör alltid ske
tillsammans med en dykarklubb med
goda säkerhetsrutiner.
Undvik hyperventilering
En avgörande riskfaktor för fritidsdykare
är hyperventilering, dvs att dykaren
överventilerar före dyket genom
extra djupa och/eller snabba andetag.
Då vädras för mycket av koldioxiden
ut, utan att syreförrådet blir nämnvärt
Bild 2. Carlos Coste från Venezuela har många
världsrekord i apnea. Här utför han statisk apnea
på en uppvisningstävlig 2005 i Italien.
Foto Erika Schagatay

S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 0 6
Bild 3 (stora bilden): Vi startade dagens toppförsök kl 02 och nådde toppen kl 12. I bakgunden, direkt till höger om Lobuches topp, syns Mt
Everest. Foto Matt Richardson. Bild 4 (infälld ): Matt på väg upp. Mesta tiden hade vi uselt väder med snö och dålig sikt. På natten var det 30
grader kallt, på dagen ca 5. Foto Mike Callaghan.
större. Det är koldioxidöverskottet som
sätter igång andningen, inte syrebristen
som man skulle kunna tro. Vid sänkt
koldioxidnivå får man ingen varningssignal
– i form av andnöd och ofrivilliga
andningsrörelser – och dyket kan
fortgå tills man plötsligt svimmar av
syrebrist. Om det sker under vattnet
är risken för drunkning stor. Det är en
risk som lätt kan undvikas genom att
dykaren andas lugnt innan dyket, och
genom att man ser till att återhämta
sig minst dubbelt så länge som dyket
varade innan nästa dyk. Alla försök att
hålla andan länge bör ske i luft, och
absolut inte i vattnet. Vid vanlig fridykning
i bassäng eller ute ska man alltid
ha en person med sig som kollar, och
kan ingripa om det skulle behövas.
två hemligheter bakom människans
dykförmåga
Apné utgör ett av de mest akuta stresstillstånden
för kroppen, och kan hota
vår överlevnad på några minuter. Det
utlöser några av kroppens kraftigaste
skyddsreaktioner. Två sådana reaktioner
är dykresponsen och mjältesresponsen
som båda förlänger vår
förmåga att hålla andan, fast på olika
sätt: Dykresponsen ser till att vi hushåller
med det tillgängliga syret, medan
mjältesresponsen ser till att mer syre
kan lagras i blodet före dyket.
dykresponsen
Dykresponsen är en av hemligheterna
med att dykaren kan minimera sin
syreupptagning. Responsen minskar
blodflödet till delar av kroppen som tål
minskad syretillförsel, medan känsliga
delar som hjärnan, hjärtat och
ev arbetande muskler får dela på det
tillgängliga syret. Detta märks genom
att t ex hudens blodflöde minskar, och
pulsen faller. Forskargruppen har i
många år studerat hur dykresponsen
startas och fungerar, visat hur den spar
syre (Andersson et al 2002, 2004), och
bla upptäckt att den kan tränas upp
genom att man ofta håller andan (Schagatay
et al 2000). Vanlig fysisk träning
hjälper inte. Responsen startas dels av
själva andhållningen, dels av kylning
av ansiktet, t ex med kallt vatten som
vid dykning (Schuitema och Holm
1988). När vältränade dykare dyker
kan pulsen sänkas så mycket som 50%
under vilopuls. Dykresponsen startas
direkt när en person håller andan och
når full effekt efter ca 30 sekunder. Den
upphör så snart man börjar andas igen.
(Läs mer om dykresponsen i artikel i
Svensk Idrottsforskning 1995).
Mjältesresponsen
En annan hemlighet bakom människans
dykförmåga är mjältesresponsen,
ett fenomen som gruppen studerat
sedan de upptäckte att responsen
förlängde människans apnétid vid
upprepade apnéer (Schagatay et al
2001a). Responsen var tidigare känd
från dykande däggdjur som t ex sälar,
men även från uthålliga löpare som
hästar och hundar. Det som händer när
mjälten drar sig samman är att dess
innehåll av lagrade röda blodkroppar
pytsas ut i cirkulation i något som kan
liknas vid en snabb, naturlig bloddoping
(Se artikel i Svensk idrottsforskning
2004). På så sätt höjs blodets
hematokrit (andel röda blodkroppar:
Hct) och hemoglobininehåll (mängd
syrebärande hemoglobin: Hb) med upp
till 10 % på några minuter. Responsen
startas vid apné men inte genast som
7

S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 0 6
Bild 5. Mike på väg ner – det dåliga vädret på väg upp. Foto Matt Richardson
dykresponsen, utan det behövs en serie
apnéer för en maxrespons. Det innebär
att syrelagringen förbättras successivt
inför nästa dyk. Kylning av ansiktet
tycks inte ha någon betydelse (Schagatay
et al 2001b). Responsen försvinner
igen efter ca 10 minuter (Schagatay et
al 2005). När responsen studerades
hos elitskidåkare, dykare och otränade
personer, fann Matt att alla fick höjd
Hb av apné, men höjningen var störst
hos dykarna (Richardson et al 2005a).
Matt har i sitt doktorandprojekt upptäckt
att mjältesresponsen är beroende
av att syrebrist utvecklas för att nå
maximal effekt, men också att det inte
är hela förklaringen (Richardson et
al 2005b). Forskargruppen är därför
väldigt intresserade av mer information
om hur mjältesresponsen startas och
vilka effekter den har. Det gäller även
att ta reda på om mjälten hjälper till
på hög höjd, innan andra effekter av
höghöjds-acklimatisering äger rum.
till högsta höjd
På hög höjd gör kroppen allt den kan
för att få tag i det mindre tillgängliga
syret. Eftersom gasutbytet är dimensionerat
för det syretryck som finns nära
havsytan, räcker inte upptaget till när
man hamnar på hög höjd. Den följande
syrebristen (hypoxin) i kroppen visar
sig som ett lägre syremättnadsvärde
i blodet – nånting som också sker
8
under andhållning, då syrebristen är
mer akut. En viktig anpassning till
höjd är att hormonet erythropoietin
(EPO) ökar blodbildningen, för att
fler röda blodkroppar ska kunna
hjälpa till med syresättningen. Det tar
dock flera dagar innan detta börjar ge
effekt. Frågan Matt ville besvara var
om mjälten skulle dra ihop sig på hög
höjd på samma sätt som vid apné, för
att få ut fler röda blodkroppar direkt
och förbättra kroppens förmåga att ta
upp syre. Har klättring och dykning
gemensamma effekter på mjälten?
För att ta reda på detta reste
Matt till Nepals Khumbu-region i
januari 2005, för att bestiga berget
Lobuche på 6200m höjd (Bild 3-5).
Han genomförde sin studie samtidigt
som han fungerade som medicinskt
stöd i en internationell expedition.
Under fem veckor hade han möjligheten
att undersöka sig själv och sina
expeditionskamrater från Kanada
och Australien och studera hur deras
mjältar och blodvärden reagerade vid
apné på 1200m (Katmandu), 3400m
(Khumde), och 5200m (Lobuche
camp) höjd, både på väg upp och på
väg ner. De tog med bärbar mätutrustning
– bl a en hemoglobinmätare, en
pulsoximeter, och en enkel spirometer
– och tog blodprov och saturationsmätningar
före, under, och efter apné
på olika höjd.
%
5
4
3
2
1
0
Förändring i Hb efter apné
1200 m 3400 m 5200 m
Diagram 1. Effekter av apné på Hb vid
olika höjd under klättringen upp på
Lobuche.
höjd
responsen påverkades av höjden
Mjältens respons på apné, vilken normalt
leder ett ökat hemoglobinvärde,
fanns i Katmandu men responsen
var mycket lägre i Khumde och hade
försvunnit när de nådde Lobuche Camp
innan toppklättringen började (Diagram
1). Men efter två veckors toppturer och
acclimatisering återkom responsen, och
på väg ner kunde ökningen i hemoglobinvärden
visas igen – och blev ännu
större. Detta kan betyda att mjälten
dragits ihop på grund av den ökande
hypoxin på väg upp, och inte kunde
kontraheras vidare under apné. Men
efter acklimatiseringen och en större
total mängd erytrocyter tycktes mjälten
slappna av, och lagra en del av överskottet
för senare användning, kanske
vid en högre grad av hypoxi eller vid
arbete.
Uppföljning i höghöjdstält
Expeditionen var bara en del av forskningen
kring hypoxi som pågår just
nu på labbet i Sundsvall, där Gruppen
för Omgivningsfysiologi arbetar. Ett
uppföljande försök pågår, där effekten
av höghöjdssimulering studeras med
hjälp av ett höghöjdstält, och mjältens
volym mäts via ultraljud samtidigt som
blodprov tas (Bild 6). Då testas effekterna
av simulerad höghöjdshypoxi
genom försök vid normalt tryck, men
minskad syremängd i luften. Har även
detta effekter på mjältens volym och
förändringar i blodets sammansättning?
En deltagare i projektet är biologistuderande
Angelica Lodin, som gör sitt
examensarbete i gruppen.
I andra projekt undersöks bland
annat EPO-produktionen under apné,
och kort- och långtids effekter av apnéträning.
Denna sorts forskning innebär
fysiologiska upplevelser i extrema
omgivningar, och kräver forskare som
villigt ställer upp att prova metoderna
på sig själv först. Gruppen har som
policy att inte utsätta försökspersonerna

S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 2 - 2 0 0 6
för något som inte deltagarna själva
varit med om och vet hur det känns.
Även studenter inom biologiutbildningen
som väljer inriktningen idrottsfysiologi,
får tillfälle att både mäta på
andra och vara frivilliga försökspersoner
i olika extrema miljöer.
Forskningen startade i Lund
Forskningen om dykresponsen startades
i slutet på 80-talet i Lund, för att
ta reda på hur det kom sig att dykare
kunde arbeta under vattnet samtidigt
som de höll andan i flera minuter i
sträck. Enligt medicinsk litteratur
borde det vara omöjligt. En forskningsresa
till vattenfolket i Indonesien 1988
övertygade om att människan hade en
mycket mer utvecklad prestationsförmåga
under vattnet än vad vetenskapen
gav gällande (Bild 7). Vad berodde
det på? Var det höjd tolerans mot
syrebrist eller okänd förmåga att lagra
syre? Eller kunde man lära sig hushålla
bättre med syret? Ett av svaren var
en effektiv dykrespons. Forskargruppen,
som nu huvudsakligen finns i
Sundsvall, består idag av 6 personer.
Nu studeras även mer generella frågor
om hur kroppen hanterar kraven vid
olika typer av fysiologisk stress, t ex
vid arbete kombinerar med hög höjd
eller apnédykning, men även fysiologin
bakom arbete med varierande intensitet.
Läs mer om forskningen på
www.miun.se/epg Forskningen har
tidigare presenterats i artiklar i Svensk
Idrottsforskning år nr 3, 1995 och nr
1, 2004.
referenser
Andersson, J. P. A., M. H. Linér, E. Rünow,
and E. K. A. Schagatay (2002) Diving
response and arterial oxygen saturation during
apnea and exercise in breath-hold divers. J
Appl Physiol, 93: 882-886.
Andersson J, Linér M, Fredsted A, Schagatay
E. (2004) Cardiovascular and respiratory
responses to apneas with and without face
immersion in exercising humans. J Appl Physiol
96: 1005-1010.
Schagatay E, M van Kampen, S Emanuelsson,
B Holm (2000) Effects of physical- and apnea
training on apneic time and diving response in
humans. Eur J Appl Physiol 82:161-169.
Schagatay E, B Holm, J Andersson, 1995,
Dykning - Effekter av träning på människans
dyktid och dykrespons. Svensk Idrottsforskning
no 3.
Erika Schagatay, Matt Richardson, Robert
de Bruijn, Helena Haughey, H.-C. Holmberg,
2004, Naturlig bloddopning vid fysiologisk
stress. Svensk Idrottsforskning no 1.
Schagatay E, J Andersson, Hallén M and
Pålsson B (2001a) Physiological and Genomic
Consequenses of Intermittent Hypoxia. Selec-
ted Contribution: Role of spleen emptying in
prolonging apneas in humans. J Appl Physiol
90: 1623-1629.
Schagatay E, Andersson J, Nielsen B (2001b)
Does facial chilling augment the hematocrit
increase seen at human apneic diving? Proceedings
of the Australian Physiological and Pharmacological
Society, 32(2) Suppl 1, P 138.
Schagatay E, Haughey H, Reimers J (2005)
Speed of spleen volume changes evoked by
serial apneas. Eur J Appl Physiol 93: 447-452.
Schuitema KE, B Holm (1988) The role of different
facial areas in eliciting human diving bra-
dycardia. Acta Physiol Scand 132, 119-120.
Richardson M, de Bruijn R, Holmberg HC,
Björklund G, Haughey H and Schagatay E.
(2005a). Increase of hemoglobin concentration
after maximal apneas in divers, skiers and
untrained humans. Canadian J Appl Physiol
30 (3): 276-281.
Richardson M, deBruijn R, Schagatay E
(2005b) Hypoxia – a trigger for spleen contraction?
Abstract at the 31st annual meeting of
EUBS and XVmeeting of ICHM, Barcelona,
Spain. 7-10 September.
Bild 6. Angelica Lodin studerar biologi på magisternivå, och gör här pilotförsök till
sitt examensarbete om mjältesresponsen på hög höjd i höghöjdstältet på labbet i
Sundsvall. Foto Erika Schagatay
Bild 7. Barn från Vattenfolket i Indonesien inspirerade till denna forskningsinriktning.
De är utmärkta dykare redan vid 4-5 års ålder. Foto Erika Schagatay
9