Anpassning för överlevnad

 

Om du ska flyga någonstans så kommer kabinpersonalen alltid att gå igenom säkerheten innan planet får lyfta. De berättar hur säkerhetsbältet fungerar och var flytvästen finns. Kanske är du upptagen med annat och väljer att inte lyssna. Du har kanske hört det förut. Det är dock viktigt att lyssna och tänka igenom vad som skulle kunna hända. En av de viktigaste sakerna handlar om vad som skulle hända om det sker ett tryckfall i kabinen.

 

På 10 000 meters höjd, där flygplanet flyger, är lufttrycket bara en fjärdedel av det som vi upplever på jordytan. Tryck är ett sätt att berätta hur många molekyler som finns i en viss volym av en gas. Om vi fyller en ballong med 1 liter luft och släpper upp den till samma höjd som flygplanet flyger på så kommer volymen att bli fyra gånger större.

Om det skulle uppstå en läcka i kabinen kommer lufttrycket att sjunka snabbt. När trycket minskar innehåller varje andetag för få syrgasmolekyler. Får vi inte i oss tillräckligt med syrgas blir vi snabbt medvetslösa. Det är därför kabinpersonalen är tydliga med att alla passagerare ska ta på sig sin egen mask först och därefter hjälpa andra. Eftersom kabintrycket är så viktigt finns det flera säkerhetssystem ombord på planet som konstant mäter trycket. Skulle trycket sjunka finns det tillräcklig mängd syrgas så att det räcker till alla ombord under den tiden det tar för planet att dyka ner till lägre höjd. Du skulle också snabbt bli medvetslös ifall du skulle bli nedsläppt på toppen av Mount Everest. Däremot är det möjligt för vissa personer att klättra upp till toppen utan syrgas. Men det tar lång tid eftersom kroppen måste anpassa sig.

Luftens molekyler trycks ihop av tyngdkraften

 

Om du kollar i en väderapp kommer du förutom temperaturer, luftfuktighet och solens upp- och nedgång stöta på begreppet lufttryck. Ju längre bort ifrån jordens yta vi kommer desto lägre är lufttrycket. Anledningen till dessa skillnader i lufttryck är att molekylerna i luften blir mer hoppressade av jordens dragningskraft ju närmare jordytan de är. Vid havsytan är alltså molekylerna i luften närmare varandra än uppe på Mount Everest. Därför säger vi att luften är tunn på hög höjd. Oavsett om lufttrycket är lågt eller högt är proportionerna av gaserna i luften desamma. Luft innehåller ungefär 78 % kvävgas och 21 % syrgas. Det finns även små mängder av andra gaser i luften.

Andel av gaser i torr luft.

  • kvävgas 78,1 %
  • syrgas 20,9 %
  • argon 0,9 %
  • övriga gaser 0,1 %
När vi dyker ökar trycket

Till skillnad från fiskar kan inte däggdjur använda den syrgas som är löst i vattnet. Under korta stunder kan vi hålla andan och vistas under vattenytan. För att kunna stanna längre måste vi ta med oss luft ner under ytan. Förändringar i tryck påverkar inte fasta ämnen eller vätskor i någon större utsträckning. Där är nämligen molekylerna redan väldigt tätt packade. Gaser påverkas desto mer.

Om du någon gång dykt ner till botten av en simbassäng märkte du säkert att det kändes lite obehagligt i öronen. Det beror på att trycket under vattenytan är högre än vad det är ovanför vattnet. Ju längre ner du dyker, desto högre blir trycket. Dyker vi till 10 meter under vattenytan är trycket dubbelt så stort som vid ytan.

 

Om vi fyller en ballong med 1 liter luft och tar ner den till 10 meters djup kommer det höga trycket att pressa ihop luften i ballongen till halva dess volym. Det händer även med en människas lungor vid ett dyk. Därför används lufttuber med högt tryck när vi måste andas under vattenytan. Lufttuberna innehåller vanlig luft men under högt tryck. Trycket i en lufttub är 200 till 300 gånger högre än den luft vi andas i vanliga fall. Trycket är alltså till exempel 200 bar. Dykaren andas i en så kallad regulator som ger samma tryck som det är vid just detta djup. Det gör att lungorna hålls utspända trots att vi befinner oss djupt ner under ytan.

 

 

Löst kvävgas kan ge kvävenarkos och bubblor i blodet

När vi andas luft vid havsytan påverkas vi inte av kvävgasen trots att den utgör majoriteten av molekylerna i inandningsluften. Dyker vi däremot ned under vattenytan och utsätts för höga tryck kommer gasernas löslighet att öka. Det gör att kvävgasen kommer att lösa sig i blodet. När blodet innehåller löst kvävgas kan vi drabbas av kvävenarkos vilket även kallas kväveberusning. Det kan göra att dykaren fattar dåliga beslut och hamnar i farliga situationer.           

Förutom risken att bli berusad av kvävgasen finns det en annan risk med att ha kväve löst i blodet. Om en dykare stiger upp till vattenytan för snabbt kan det bildas kvävgasbubblor som täpper till blodkärl. Om blodflödet till hjärnan stryps kan vi faktiskt dö. För att det inte ska hända måste dykaren stiga långsamt upp till ytan. Då andas kvävgasen ut i takt med att blodet passerar lungorna. Om en dykare har gjort en för snabb uppstigning krävs behandling i en tryckkammare. Där höjs trycket till motsvarande det djup dykaren var på. Då kommer gasbubblorna lösa sig i blodet igen. Sedan görs en långsam och kontrollerad trycksänkning till trycket på havsytenivå.

För att klara av riktigt djupa dyk brukar luften i dykartuberna bytas till en gasblandning som innehåller mindre kvävgas. Kvävgasen ersätts då med helium som har sämre löslighet i vatten vid höga tryck. Det minskar risken för att bubblor ska bildas vid uppstigning.

Om vi skulle dyka utan lufttuber kallas det fridykning. Vid sådan dykning uppstår inte problem med gaser som löser sig i blodet eller kväveberusning. Däremot kommer dykaren att drabbas av en stor lust att andas. Anledningen är att vi inte kan andas ut den koldioxid som kroppens celler hela tiden bildar när vi är under vattnet.

 

Koldioxiden löser sig i blodet och bildar kolsyra. Kolsyran ger ifrån sig vätejoner. När koncentrationen av vätejoner i blodet ökar kommer pH-värdet att sjunka. På flera ställen i kroppen finns det receptorer som känner av ett sänkt pH. När mängden vätejoner ökar kommer dessa receptorer att signalera till andningscentrum i hjärnan. Det känns som en stark lust att andas. Simmar vi upp till ytan kommer hjärnan att skicka signaler till andningsmusklerna som ser till att vi tar flera djupa andetag och andas ut koldioxiden. Då minskar mängden vätejoner. I normala fall är det alltså inte mängden syre i kroppen som bestämmer när vi ska andas, utan mängden koldioxid.

 

 




 

 

 

 

 

Andning på hög höjd kräver anpassning, trycksättning eller syrgas

Om vi skulle bestiga höga berg blir problemet det omvända jämfört med dykning. Lufttrycket sjunker ju högre upp vi klättrar. För oss människor är det största problemet att varje andetag på hög höjd innehåller väldigt få syrgasmolekyler. Syrgasen i inandningsluften passerar över till blodet genom diffusion. Diffusion betyder att molekyler som är i hög koncentration på ett ställe kommer ta sig till område där koncentrationen är lägre. På det sättet tar sig syrgasen i lungornas alveoler till de röda blodkropparna i blodet. För att det ska fungera krävs att det finns fler syrgasmolekyler i luften än i blodet. Blir luftens syrgasinnehåll för lågt kommer inte syre kunna ta sig från luften i lungorna till blodet. Då kan inte organen i kroppen syresättas.

 

Vi människor har olika lätt att vistas på hög höjd. Varför det är så vet vi inte riktigt. Vissa kan klättra upp på jordens högsta topp, Mount Everest, som är 8848 meter över havet. Andra börjar må dåligt när de är på skidsemester i bergen på betydligt lägre höjd. Vi kan till viss del anpassa oss till vistelse på högre höjder. Det tar olika lång tid för olika personer och vissa klarar inte av det alls. Under tiden anpassningen sker är det en mängd kemiska processer i kroppen som ändras. När vi kommer upp på högre höjd börjar vi andas djupare och snabbare andetag för att få i oss mer syre. Då andas vi också ut mer koldioxid. När koldioxiden andas ut blir det färre vätejoner kvar i blodet och då höjs pH. Kroppen reagerar på det förhöjda pH-värdet med att producera mer urin. I vanliga fall sparar kroppen på basiska vätekarbonatjoner och undviker att kissa ut dem. Vi anpassar oss alltså till den högre höjden, och den minskade mängden syre, genom att kissa ut mer vätekarbonatjoner.

 

Hundratals människor har dött i försök att bestiga Mount Everest. I många fall är orsaken höjdsjuka, det vill säga syrebrist. En tågförbindelse i Tibet har sin högsta passage 5072 meter över havet. För att passagerarna inte ska drabbas av höjdsjuka tillsätts syre i kupéerna.

 

När vi blir kalla ökar musklernas aktivitet

 

Du har säkert upplevt hur det börjar rycka i musklerna när du blir kall. Det kallas att huttra och är ett effektivt sätt för kroppen att skapa värme om kroppstemperaturen sjunker. Däggdjur, som vi människor är, måste hålla den inre kroppstemperaturen konstant. Olika djur har olika kroppstemperaturer. Människans temperatur är ungefär 37 °C. Det är viktigt att temperaturen inte avviker för mycket från 37 °C eftersom den är en förutsättning för de kemiska reaktioner som gör att vi hålls vid liv ska fungera. Blir vi alldeles för kalla eller alldeles för varma dör vi. För att överleva i en låg utomhustemperatur har vi lärt oss att skydda oss från kyla genom att söka skydd, bygga varma hus, och klä oss i isolerande kläder. Djur som lever i Arktis och på Antarktis har isolerande päls eller fjäderdräkt. Det vi har gemensamt är att vi kan omvandla energin vi får i oss från maten till värmeenergi genom att aktivera våra muskler.

Vi har receptorer som känner av temperaturen både på kroppens insida och på kroppens utsida. Om temperaturen sjunker kommer nervsignaler skickas till hjärnan. För att vi inte ska bli ännu kallare sker det en rad omställningar för att minska värmeförlusterna och producera mer värme. Vi kommer till exempel minska blodflödet till kroppsdelar som ligger långt ifrån huvud och överkropp. Det är därför vi ofta fryser om händer och fötter. Vi kommer alltså att offra fingrar och tår för att hålla igång hjärnans och hjärtats arbete.

Förutom att styra om blodflödet kommer hjärnan också se till att vi börjar huttra. De små muskelrörelserna ger inte någon utveckling av kraft och rörelse utan all energi ger upphov till värme. Värmeproduktionen kan öka 30 till 40 gånger mot det normala.

Vi kan också anpassa oss om vi bor i kyla under lång tid. Personer som har bott på Antarktis i fem månader får ökade nivåer av ett hormon som ökar ämnesomsättningen i kroppen med ökad produktion av värme som följd.

2021 års Nobelpris i fysiologi eller medicin tilldelades David Julius och Ardem Patapoutian för att de förklarat hur vi upplever temperatur och beröring.

När vi blir för varma kommer blodflödet att öka

Om vi reser långt söderut när det är vinter i Sverige kan vi utsättas för en väldigt stor temperaturskillnad. Om det blir för varmt kommer hjärnan se till att vi ändrar vårt beteende och söker upp skugga och fläkt. Vi kommer ta av oss varma kläder och sänka vårt tempo för att inte alstra värme i onödan.

Blodflödet till hudytan kommer också att öka. Vi blir röda om händer och kinder. Det gör att vi kan ge ifrån oss mer värme. Huden innehåller också svettkörtlar och de kommer att utsöndra mer vätska. När svett som ligger på hudytan avdunstar kommer vätebindningar mellan vattenmolekylerna att brytas och det kräver energi. Energiförlusten kyler ned hudytan och ger en avkylning av kroppen.

 

I början av vistelsen i det varma klimatet kommer mängden svett uppgå till ungefär 7 deciliter per timme. Stannar vi en längre tid anpassar sig kroppen till klimatet och blir bättre på att kyla av hudytan genom att producera mer svett. Efter anpassningen ökar svettningen till 2-4 liter per timme.

Svett innehåller salt (NaCl) och blir vi av med mycket natriumjoner i svetten kan det påverka blodvolymen. Det kan leda till för lågt blodtryck. Vistas vi i en hög temperatur under en längre tid blir kroppen inte bara bättre på att producera svett utan den kommer också minska saltinnehållet i svetten. En person som har anpassat sig till ett varmt klimat svettas alltså stora mängder svett med lite salt jämfört med en person som inte är anpassad till värme.

 

Quiz - Anpassning för överlevnad

Vilket samband finns mellan vätejoner och pH-värde?

Förklara varför det är viktigt att ta på sig syrgasmasken om trycket sjunker i flygplanets kabin?

Får vattenmolekyler att hänga ihop med varandra.

Vilket påstående är korrekt?

Kan känna av temperaturer på kroppens in- och utsida.

Vad är korrekt om tryck?

Kan känna av om pH-värdet sjunker och skickar då signal till hjärnan

Vilket påstående är korrekt om tryck?

Varför är luften är tunnare uppe på ett högt berg jämfört med luften vid havsytan?

Skickar nervsignaler till hjärnan om temperaturen ändras

Uppgifter - Anpassning för överlevnad

Förklara och beskriv
  1. Titta på filmen som börjar med att ett flygplan startar och landar. Skriv en förklarande text till filmen och förklara vad som händer med lufttrycket på olika höjder. 

  2. Förklara varför vi snabbt skulle bli medvetslösa om lufttrycket runt oss skulle sjunka för snabbt.

  3. Rita en syrgasmolekyl som tydligt visar vilka atomer den består av.

  4. Prova att hålla andan en stund. Fundera över hur det känns. Beskriv vad som händer i kroppen när du håller andan länge. Använd begreppen vätejoner, koldioxid, kolsyra, pH, receptorer.

  5. Titta på filmen som börjar med att en dykare dyker ner i havet. Skriv en text till filmen och förklara vad som händer med trycket på olika djup. 

  6. Förklara varför det trycker i öronen då du dyker ner till botten av en simbassäng.

  7. Beskriv vad som händer med en dykares lungor vid ett dyk ner till 10 meter under havsytan.

  8. Varför är det farligt att stiga upp för snabbt till ytan om man har dykt djupt? Beskriv vad som händer i kroppen.

  9. Förklara varför läkare ibland använder tryckkammare när de behandlar dykare som varit med om en dykolycka.

  10. Rita en koldioxidmolekyl som tydligt visar vilka atomer den består av.

  11. Förklara hur koldioxidhalten i blodet påverkar pH-värdet i din kropp och styr din lust att andas.

  12. Förklara hur diffusion fungerar.

  13. Titta på animeringen som visar andning. Skriv en text till filmen och förklara vad som händer i din kropp då du andas.

  14. Förklara vad som händer när en människas kropp anpassar sig till högre höjd.

  15. Förklara vad som händer i vår kropp då kroppstemperatur är lägre eller högre än 37 °C. 

  16. Vilken funktion har en receptor?

  17. Beskriv hur din kropp kan anpassa sig till kyla och värme?

Argumentera och resonera
  1. Vilka naturvetenskapliga argument finns för och/eller emot dessa påståenden?

    a) Eftersom jorden är rund så är lufttrycket det samma över hela jordklotet.

    b) Människor är bra på att anpassa sig efter klimatet.

    c) En vätska går inte att trycka ihop på grund av dess densitet.

    d) Dykartuber innehåller inte enbart syrgas eftersom det skulle vara giftigt för dykaren.

    e) Fridykare drabbas inte av kvävenarkos även om de stiger snabbt till ytan efter ett djupdyk.

    f) Om du tränar kan du lära dig hålla andan längre.

    g) Genom att kissa mer kan en människa anpassa sig till hög höjd.

    j) Det är bra att du huttrar när du är kall.

    k) Du fryser mer på hösten är på våren.

    l) Du kan vänja dig vid värme.

Ta reda på
  1. Luften består av 78 % kvävgas och 21 % syrgas. Vilka gaser består den sista procenten av?

  2. Animeringen om blodet visar att det finns koldioxid i blodet. Hur och var bildas koldioxiden?

  3. Vilka skillnader och likheter finns det mellan dykarsjuka och höjdsjuka?

  4. De flesta jämnvarma (varmblodiga) djur har en kroppstemperatur på omkring 33-40 grader. Hur kommer det sig?

  5. Din kropp har receptorer som känner av temperatur. Vilka andra slags receptorer finns i din kropp?

  6. Ta reda på hur växelvarma (kallblodiga) djur gör för att hålla rätt kroppstemperatur.