夜黎本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e，由夜黎重新編輯。（根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明）
原文傳送門：<1> An Introduction to the Human Body — 1.4 Requirements for Human Life
索引傳送門：《解剖學和生理學2e》索引頁面
學習本章後，你將能夠：
- 討論氧氣和營養素在維持人類生存中的作用
- 解釋為什麼極熱和極冷會威脅人類生存
- 解釋氣體和液體施加的壓力如何影響人類
前言
至少在過去的 20 萬年裡，人類一直在適應地球上的生活。 地球及其大氣層為我們提供了可以呼吸的空氣、可以喝的水和可以吃的食物，但這些並不僅僅是生存的要求。 儘管你可能很少考慮這一點，但你也不能生活在〈地球表面及其大氣提供的〉特定溫度和壓力範圍之外。 接下來的部分將探討生活的這四個要求。
氧〔Oxygen〕
大氣中只有大約 20% 的氧氣，但氧氣是維持身體活力的化學反應的關鍵部件，包括產生腺苷三磷酸〔adenosine triphosphate〕（ATP）的反應。 腦細胞對缺氧特別敏感，因為它們需要高且穩定地產生 ATP。 在沒有氧氣的情況下，腦損傷可能會在五分鐘內發生，而死亡可能會在十分鐘內發生。
營養素〔Nutrients〕
營養素是食品和飲料中的一種物質，對人類生存至關重要。 三類基本營養素是
- 水
- 產能營養素〔energy-yielding nutrients〕和建身營養素〔body-building nutrients〕
- 微量營養素〔micronutrients〕（維生素和礦物質）
最關鍵的營養素是水。 根據環境溫度和我們的健康狀況，我們可能在沒有水的情況下只能存活幾天。 人體的功能性化學物質在水中溶解和運輸，並且生命的化學反應在水中發生。 此外，水是細胞、血液和細胞間液體的最大成分，以及水約佔成年人體重的70%。 水還有助於調節我們的內部溫度，以及緩衝、保護和潤滑關節和許多其他身體結構。
產能營養素〔energy-yielding nutrients〕主要是碳水化合物｛醣類｝〔carbohydrates〕和脂質〔lipids〕，而蛋白質主要提供身體構件本身的氨基酸〔amino acids〕。你在植物和動物的食物以及飲料中攝取這些，並且消化系統將它們分解成小到足以被吸收的分子。然後可以將碳水化合物和脂質的分解產物用於將它們轉化為腺苷三磷酸（ATP）的代謝過程。 儘管你可能會在錯過一頓飯後感覺好像餓了，但你可以在不消耗產能營養素的情況下生存至少幾週。
水和產能營養素也被稱為主要 {大量} 營養素〔macronutrients〕，因為身體需要大量的營養素。 相反，微量營養素〔micronutrients〕是維生素〔vitamins〕和礦物質〔minerals〕。 這些元素和化合物參與了許多重要的化學反應和過程，例如神經衝動〔nerve impulses〕，還有一些，例如鈣，也有助於身體的結構。你的身體可以在其組織中儲存一些微量營養素，如果你幾天或幾週沒有在飲食中食用〔consume〕它們，就會利用這些儲備。 其他一些微量營養素（如維生素 C 和大多數 B 群維生素）是水溶性的並且不能儲存，所以你需要每天或每兩天食用一次。
溫度的範圍狹窄〔Narrow Range of Temperature〕
你可能已經看過有關死於中暑的運動員或死於暴露在寒冷的徒步旅行者的新聞報導。 之所以會發生這種死亡，是因為身體所依賴的化學反應只能在一個狹窄的體溫範圍內發生，從略低到略高於 37°C（98.6°F）。當體溫遠高於或遠低於正常值時，某些促進化學反應的蛋白質（酶〔enzymes〕）會失去其正常結構和運作能力，並且新陳代謝的化學反應就無法進行。
也就是說，身體可以對短期暴露於熱（圖 1.8）或寒冷做出有效反應。 身體對熱的反應之一當然是出汗。 當汗水從皮膚蒸發時，它會從身體中帶走一些熱能〔thermal energy〕，使其冷卻。 充足的水（來自體內的細胞外液體）是產生汗水所必需的，因此充足的液體攝入對於平衡出汗反應期間的損失至關重要。毫不奇怪，在潮濕的環境中，汗液反應的效果要差得多，因為空氣已經被水飽和了。 因此，皮膚表面的汗水無法蒸發，內部體溫可能會升高到危險的程度。
(credit: McKay Savage/flickr)
身體也可以對短期暴露在寒冷中做出有效反應。對寒冷的一種反應是發抖，這是產生熱量的隨機肌肉運動。另一種反應是增加儲存能量的分解以產生熱量。然而，當這種能量儲備耗盡並且核心溫度開始顯著下降時，紅血球將失去釋放氧氣的能力，否認〈生產腺苷三磷酸（ATP）這一關鍵成分的〉大腦。這這種缺氧會導致精神錯亂、昏昏欲睡，最終失去意識和死亡。身體對寒冷的反應是減少四肢、手和腳的血液循環，以防止血液在那裡冷卻，從而使身體的核心保持溫暖。然而，即使核心體溫保持穩定，暴露於嚴寒的組織，尤其是手指和腳趾，當流向四肢的血流量大大減少時也會出現凍瘡〔frostbite〕。這種形式的組織損傷可能是永久性的並導致壞疽〔gangrene〕，需要對受影響的區域進行截肢。
正如你所學，身體不斷地參與協調的生理過程以保持穩定的溫度。 然而，在某些情況下，覆蓋此系統可能很有用，甚至可以挽救生命。 體溫過低〔hypothermia〕是體溫異常低的臨床術語（hypo- =“低於〔below〕”或“低於〔under〕”）。受控體溫過低〔Controlled hypothermia〕 是臨床誘導的體溫過低，執行以降低器官或人整個身體的代謝率。
例如，在心臟直視手術〔open-heart surgery〕期間經常使用受控低溫，因為它可以減少大腦、心臟和其他器官的代謝需求，從而降低對它們造成損害的風險。 當臨床上使用受控低溫時，會給患者服用藥物以防止顫抖。 然後將身體冷卻至 25–32°C (79–89°F)。心臟停止並且外部心肺泵〔external heart-lung pump〕維持患者身體的循環。 心臟進一步冷卻，並且在手術期間保持在15°C (60°F) 以下的溫度。 這種非常冷的溫度有助於心肌在手術過程中耐受其血液供應的不足。
一些急診科醫師使用受控低溫來減少心臟停止〔cardiac arrest〕患者的心臟損傷。 在急診科，醫生誘導昏迷並且將患者的體溫降低到大約 91 度(F)。 這種狀態持續 24 小時，會減慢患者的新陳代謝率。 由於患者的器官需要較少的血液以發揮作用，因此心臟的工作量也減少了。
大氣壓的範圍狹窄〔Narrow Range of Atmospheric Pressure〕
壓力是一種物質與另一種物質接觸時所施加的力。 大氣壓力是由地球大氣中的氣體混合物（主要是氮氣和氧氣）施加的壓力。 儘管你可能沒有察覺到，但大氣壓力不斷地壓在你的身體上。 這種壓力使你體內的氣體（例如體液中的氣態氮〔gaseous nitrogen〕）溶解。如果你突然從地球大氣層上方的宇宙飛船中彈射出來，你會從正常壓力的情況變成壓力非常低的情況。 你血液中的氮氣壓力會比你身體周圍空間中的氮氣壓力高得多。 結果，血液中的氮氣會膨脹，形成氣泡，其可以阻塞血管並且甚至導致細胞分裂。
大氣壓不僅僅是保持血液氣體溶解。 你的呼吸能力——即吸入氧氣和釋放二氧化碳——也取決於精確的大氣壓。 高原反應〔Altitude sickness〕的發生部分是因為高海拔的大氣施加的壓力較小，減少了這些氣體的交換，並且導致呼吸短促、精神錯亂、頭痛、嗜睡和噁心。 登山者攜帶氧氣以減少高海拔地區低氧水平和低氣壓的影響（圖 1.9）。
(credit: Melanie Ko/flickr)
減壓病〔Decompression Sickness〕（DCS）是一種情況，其中溶解在血液或其他身體組織中的氣體，在身體壓力降低後不再溶解。 這種情況會影響從深潛中過快浮出水面的水下潛水員，並且可能會影響乘坐無壓艙室飛機於高空飛行的飛行員。 潛水員通常將這種情況稱為「潛水病〔the bends〕」，指的是作為減壓病（DCS）症狀的關節疼痛。
在所有情況下，減壓病（DCS）都是由氣壓降低引起的。 在高海拔地區，氣壓遠低於地球表面，因為壓力是由身體上方空氣柱的重量壓在身體上產生的。 潛水員在深水中承受的巨大壓力，同樣來自壓在身體上的水柱的重量。 對於潛水員來說，減壓病（DCS）發生在正常大氣壓（海平面）下，但它是由於潛水員從深水的高壓條件上升到現在的低氣壓時，（與海平面的壓力相比）壓力相對迅速下降而引起的。 毫不奇怪，在深山湖泊中潛水，湖面的氣壓低於海平面的氣壓，比在海平面的水中潛水更容易導致減壓病（DCS）。
在減壓病（DCS）中，溶解在血液中的氣體（主要是氮氣〔nitrogen〕）會迅速脫離溶液，在血液和其他身體組織中形成氣泡。 這是因為當氣體對液體的壓力降低時，可以保持溶解在液體中的氣體量也會減少。 正是氣壓使你的正常血氣〔blood gases〕溶解在血液中。 當壓力降低時，較少的氣體仍然溶解。 當你打開碳酸飲料時，你已經看到了這個效果。 去除瓶子的密封可以降低氣體對液體的壓力。 這反過來會導致氣泡，因為溶解的氣體（在這種情況下是二氧化碳）從溶液〈在液體中〉脫離出來。
減壓病（DCS）最常見的症狀是關節疼痛，10% 到 15% 的病例會出現頭痛和視力障礙。 如果不及時治療，非常嚴重的減壓病（DCS）會導致死亡。 立即用純氧處理。 然後將受影響的人轉移到高壓艙〔hyperbaric chamber〕中。 高壓艙是加壓到大於大氣壓的強化封閉艙。 它可以通過對身體再加壓來治療減壓病（DCS），然後壓力逐漸地被消除。 因為高壓氧艙在高壓下將氧氣引入身體，所以會增加血液中的氧氣濃度。 這具有用氧氣代替血液中的一些氮的效果，這更容易去耐受溶液的脫離。
體液的動態壓力〔dynamic pressure〕對人類生存也很重要。 例如，血壓是血液在血管內流動時所施加的壓力，血壓必須足夠大以使血液能夠到達所有身體組織，但又必須足夠低以確保脆弱的血管能夠承受加壓血液脈動流〔pulsating flow〕的摩擦和力。
更新紀錄
2022/07/20 發佈本文
評論