航空宇宙生理学

航空宇宙生理学は、異なる圧力や酸素レベルなど、高高度が人体に与える影響を研究する学問です。高度が異なれば、人体の反応も異なり、心拍出量が増加し、赤血球の生産量も増加します。これらの変化により、体内でエネルギーの浪費が増え、筋肉疲労を引き起こしますが、これは高度のレベルによって異なります。

上空や宇宙では、身体に及ぼす物理的影響は地上とは異なります。例えば、気圧は高度によって異なります。海抜 0 メートルでは気圧は 760 mmHg ですが、海抜 3,048 メートルでは気圧は 523 mmHg、15,240 メートルでは気圧は 87 mmHg です。気圧が下がると、大気圧の分圧も下がります。この圧力は常に全気圧の 20% 未満です。海抜 0 メートルでは、肺胞酸素分圧は 104 mmHg で、海抜 6000 メートルに達します。この圧力は、順応していない人では最大 40 mmHg 低下しますが、順応した人では 52 mmHg 低下します。これは、順応した人の方が肺胞換気量が増えるためです。^[1]航空生理学には、加圧された客室内に長時間さらされた人間や動物への影響も含まれます。^[2]

高度に関するもうひとつの主な問題は、気圧の欠如と体が上昇するにつれて減少する酸素の両方によって引き起こされる低酸素症です。^[3]標高の高い場所での曝露により、肺胞二酸化炭素分圧（PCO ₂）は 40 mmHg（海面）からより低いレベルまで低下します。海面レベルに順応した人の場合、換気は約 5 倍増加し、二酸化炭素分圧は最大 6 mmHg まで低下します。高度 3040 メートルでは、動脈血酸素飽和度は 90% まで上昇しますが、この高度を超えると動脈血酸素飽和度は 70%（6000 メートル）まで急速に低下し、さらに高度が高くなるとさらに低下します。^[4]

重力加速度は、飛行中、特に高速飛行や宇宙旅行中に身体に最も多く作用します。これには、単純な加速、減速、求心加速度によって引き起こされる正の重力加速度、負の重力加速度、ゼロの重力加速度が含まれます。飛行機が旋回するとき、求心加速度はƒ=mv2/rで決まります。これは、速度が増加すると、求心加速度も速度の2乗に比例して増加することを示しています。^[5]

飛行士が加速時に正の重力加速度を受けると、血液は体の下部に移動します。つまり、重力加速度が上昇すると、静脈内の血圧全体が上昇します。つまり、心臓に届く血液量が少なくなり、循環が低下して心臓の機能に影響を及ぼします。^[6]

負の重力の影響は、充血や精神病発作を引き起こすなど、より危険です。宇宙では重力はほぼゼロで、微小重力と呼ばれ、人は船の内部に浮かんでいる状態です。これは、重力が宇宙船と体に等しく作用し、両方が同じ加速度で同じ方向に引っ張られるためです。^[7]

低酸素症は、血流に酸素が不足すると発生します。航空宇宙環境では、酸素がほとんどまたはまったくないために発生します。体の作業能力が低下し、すべての筋肉（骨格筋と心筋）の動きが低下します。作業能力の低下は、輸送速度の酸素の低下に関連しています。^[8]低酸素症の急性影響には、めまい、弛緩、精神的疲労、筋肉疲労、多幸感などがあります。これらの影響は、海抜3650メートルの高度から、順応していない人に影響を及ぼします。これらの影響は増大し、高度5500メートルでけいれんや痙攣を引き起こす可能性があり、高度7000メートルで昏睡に陥ります。^[8]

低酸素症関連症候群の一種に登山病がある。高度に順応していない人が高所に長時間滞在すると、赤血球数とヘマトクリット値が高くなることがある。順応している人でも肺動脈圧が上昇し、右心室の拡張を呈する。末梢動脈圧が低下してうっ血性心不全に陥り、長時間さらされると死に至る。^[9]これらの影響は赤血球の減少によって生じ、血液の粘度が大幅に上昇する。これにより組織内の血流が減少し、酸素分布が減少する。肺細動脈の血管収縮は心臓の右側部分の低酸素症によって引き起こされる。細動脈けいれんは肺血管を通る血流の大部分を阻害し、血流の短絡を引き起こして血液中の酸素を減少させる。酸素を投与するか、低高度に連れて行けば回復するだろう。^[10]

登山病と肺水腫は、急激に高所に登る人に最もよく見られます。この病気は、高所に登った数時間から2、3日後に発症します。急性脳浮腫と急性肺水腫の2つのケースがあります。前者は低酸素症による脳血管の拡張が原因で、後者は低酸素症による肺細動脈の収縮が原因です。^[9]

低酸素症は、赤血球数を増加させ、ヘマトクリットを40%から60%まで増加させ、血液中のヘモグロビン濃度を15 g/dlから20～21 g/dlまで増加させる主な刺激です。また、血液量も20%増加し、体ヘモグロビンが15%以上増加します。^[3]一定期間、高地に滞在した人は順応し、人体への影響が少なくなります。^[3]順応を助けるメカニズムはいくつかあり、肺換気の増加、赤血球レベルの上昇、肺拡散能の増加、末梢組織の血管新生の増加などがあります。^[11]

動脈の化学受容体は低分圧にさらされることで刺激され、肺胞換気が最大1.65倍まで増加する。ほぼ即座に、高高度に対する補償が始まり、肺換気が増加して大量のCO2が排出される_。二酸化炭素分圧は低下し、体液のpHは上昇する。これらの作用により脳幹の呼吸中枢が抑制されるが、後にこの抑制は消失し、呼吸中枢は末梢化学受容体の刺激に反応し、低酸素により換気が最大6倍に増加する。^[12]

高度の高いところまで登ると心拍出量は最大30%増加するが、ヘマトクリット値の上昇に応じて正常レベルまで減少する。末梢組織に送られる酸素の量は比較的正常である。また、「血管新生」と呼ばれる病気も現れる。^[13]

腎臓は、二酸化炭素分圧の低下に反応して、水素イオンの分泌を減らし、重炭酸塩の排泄を増加させます。この呼吸性アルカローシスにより、HCO3濃度が低下し、血漿pHが正常レベルに戻ります。腎臓がアルカローシスから回復した後、呼吸中枢は低酸素症によって生成された末梢化学受容体の刺激に反応します。^[14]

• 航空従事者教育プログラム: 航空生理学トレーニング
• FAA: 航空乗務員の健康と安全に関するビデオ