高地が人体に及ぼす影響

高地が人体に及ぼす影響は、主に大気中の酸素分圧の低下によるものです。高地が直接の原因となる医学的問題は、大気圧の低下と、人間が生存できる範囲における大気中の酸素ガス分圧の一定性によって引き起こされる、吸入酸素分圧の低下によるものです。^{[ 1 ]}高度のもう1つの大きな影響は、周囲温度の低下によるものです。

ヘモグロビンの酸素飽和度は、血液中の酸素含有量を決定します。人体が海抜約2,100 メートル (6,900フィート)に達すると、オキシヘモグロビンの飽和度は急速に低下し始めます。 ^{[ 2 ]}しかし、人体には高度に対する短期および長期の適応があり、酸素不足を部分的に補うことができます。適応のレベルには限界があり、登山家は8,000 メートル (26,000フィート)以上の高度を死のゾーンと呼び、一般的に、そこでは人間の体は順応できないと考えられています。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}極端な高度では、周囲の気圧が体温での水の蒸気圧を下回ることがあります。そのような高度では、周囲の気圧での純粋な酸素でさえ人間の生命を維持できず、加圧服が必要です。高地の低気圧への急激な減圧は、高気圧性減圧症を引き起こす可能性がある。  

高地に対する生理的反応には、過換気、多血症、筋肉の毛細血管密度の増加、低酸素性肺血管収縮（細胞内酸化酵素の増加）などがあります。低酸素に対する細胞レベルでの反応は多岐にわたり、酸素欠乏に対する身体の一般的な反応を決定する低酸素誘導因子（HIF）の発見によって示されています。高地での生理機能は正常ではなく、登山や航空事故に関係している神経心理学的機能の障害も証拠によって示されています。^{[ 1 ]}高地環境の影響を軽減する方法には、呼吸空気の酸素濃度を高めることや、密閉環境の圧力を上げることなどがあります。^{[ 1 ]}高地のその他の影響には、凍傷、低体温症、日焼け、脱水などがあります。

チベット人、アンデス人、アムハラ人^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}は、比較的高地によく適応している3つのグループですが、表現型は著しく異なります。^{[ 1 ]}

人体は海面で最もよく機能する^{[ 10 ]。}海面の気圧は101,325 Paまたは1013.25ミリバール（定義上1気圧）である。海面の空気中の酸素（O ₂ ）濃度は20.9%なので、酸素分圧（pO ₂）は21.136キロパスカル（158.53 mmHg）である。健康な人では、これは赤血球中の酸素結合性赤色色素で_あるヘモグロビンを飽和させる。^{[ 11 ]} 

大気圧は高度とともに気圧の公式に従って低下しますが、O _{2 の}割合は約100 km (62 mi)まで一定であるため、pO ₂も高度とともに低下します。エベレストベースキャンプの高度である5,000 m (16,000 ft)では海抜での値の約半分になり、エベレスト山頂の8,848 m (29,029 ft)ではわずか 3 分の 1 になります。^{[ 12 ]} pO ₂が低下すると、体は高度順応で反応します。^{[ 13 ]}      

国際山岳医学会は、大気中の酸素量の低下を反映した3つの高度地域を認識しています。^{[ 14 ]}

• 高地＝1,500～3,500メートル（4,900～11,500フィート） 
• 非常に高い高度＝3,500～5,500メートル（11,500～18,000フィート） 
• 極限高度＝5,500メートル（18,000フィート）以上 

これらの高地地域への旅行は、急性高山病の軽度の症状から、致命的となる可能性のある高地肺水腫（HAPE）や高地脳浮腫（HACE）まで、医学的な問題を引き起こす可能性があります。高度が高くなるほど、リスクは高くなります。^{[ 15 ]}遠征隊の医師は、これらの症状を現地で治療するために、デキサメタゾンを常備しているのが一般的です。 ^{[ 16 ]}また、研究によると、 5,500 m（18,045フィート）を超える高度に登る人は、永久的な脳損傷のリスクが高まることが示されています。^{[ 17 ]}  

急性高山病を発症する人は、塩分と水分代謝を調節する体液バランスホルモンの変化によって、症状が現れる前に特定できる場合がある。高地肺水腫を発症しやすい人は、呼吸器症状が現れる前に尿量の減少を示すことがある。 ^{[ 18 ]}

人類は、記録上恒久的に耐えられる最高高度である5,950 m (19,520フィート、気圧 475 ミリバール)で 2 年間生存したことがある。既知の最高恒久居住地であるラ・リンコナダは5,100 m (16,700フィート)にある。^{[ 19 ]}    

高度が7,500 m (24,600フィート、気圧 383 ミリバール)を超えると、睡眠が非常に困難になり、食物の消化がほぼ不可能になり、HAPE または HACE のリスクが大幅に増加します。 ^{[ 15 ] [ 20 ] [ 21 ]}  

死の地帯

登山におけるデスゾーン（元々は致命的ゾーン）は、1953年にスイスの医師で登山家のエドゥアール・ウィス＝デュナンによって初めて提唱されました。 [ 22 ^]これは、酸素量が長時間にわたって人間の生命を維持するのに不十分な、ある一定の高度を超える場所を指します。この地点は一般的に8,000メートル（26,000フィート、気圧356ミリバール未満）とされています。^{[ 23 ]} 8,000メートルを超えるデスゾーンにある14の山頂はすべて、8000メートル峰と呼ばれ、ヒマラヤ山脈とカラコルム山脈に位置しています。  

高所登山における多くの死亡事故は、生命機能の喪失による直接的な死亡、あるいはストレスや身体の衰弱による誤った判断が事故につながる間接的な死亡など、デスゾーンの影響によって引き起こされています。デスゾーンでは、人体は順応することができません。酸素補給なしでデスゾーンに長時間滞在すると、身体機能の低下、意識喪失、そして最終的には死に至ります。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

高度19,000m （63,000フィート）では、気圧が十分に低いため、水は人間の体温で沸騰します。この高度はアームストロング限界として知られています。この限界以下の圧力にさらされると、急速に意識を失い、続いて心血管系と神経系の機能に一連の変化が生じ、60～90秒以内に圧力が回復されない限り、最終的には死に至ります。^{[ 24 ]}  

Even below the Armstrong limit, an abrupt decrease in atmospheric pressure can cause venous gas bubbles and decompression sickness. A sudden change from sea-level pressure to pressures as low as those at 5,500 m (18,000 ft) can cause altitude-induced decompression sickness.^[25]

The human body can adapt to high altitude through both immediate and long-term acclimatization. At high altitude, in the short term, the lack of oxygen is sensed by the carotid bodies, which causes an increase in the breathing depth and rate (hyperpnea). However, hyperpnea also causes the adverse effect of respiratory alkalosis, inhibiting the respiratory center from enhancing the respiratory rate as much as would be required. Inability to increase the breathing rate can be caused by inadequate carotid body response or pulmonary or renal disease.^[2][26]

In addition, at high altitude, the heart beats faster; the stroke volume is slightly decreased;^[27] and non-essential bodily functions are suppressed, resulting in a decline in food digestion efficiency (as the body suppresses the digestive system in favor of increasing its cardiopulmonary reserves).^[28]

Full acclimatization requires days or even weeks. Gradually, the body compensates for the respiratory alkalosis by renal excretion of bicarbonate, allowing adequate respiration to provide oxygen without risking alkalosis. It takes about four days at any given altitude and can be enhanced by drugs such as acetazolamide.^[26] Eventually, the body undergoes physiological changes such as lower lactate production (because reduced glucose breakdown decreases the amount of lactate formed), decreased plasma volume, increased hematocrit (polycythemia), increased RBC mass, a higher concentration of capillaries in skeletal muscle tissue, increased myoglobin, increased mitochondria, increased aerobic enzyme concentration, increase in 2,3-BPG, hypoxic pulmonary vasoconstriction, and right ventricular hypertrophy.^[2][29] Pulmonary artery pressure increases in an effort to oxygenate more blood.

高地への完全な血液学的適応は、赤血球の増加がプラトーに達して停止したときに達成されます。完全な血液学的適応の期間は、高度（キロメートル）に 11.4 日を掛けることで概算できます。たとえば、4,000 メートル（13,000フィート）の高度に適応するには 45.6 日かかります。^{[ 30 ]}この線形関係の上限高度は完全には確立されていません。^{[ 6 ] [ 19 ]} 

高地に順応したとしても、長期間高地に滞在すると妊娠に悪影響を及ぼし、子宮内発育遅延や妊娠高血圧症候群を引き起こす可能性があります。^{[ 31 ]}高地では、順応した女性でも胎盤への血流が減少し、胎児の発育に悪影響を及ぼします。^{[ 31 ]}その結果、高地で生まれた子供は、海抜で生まれた子供よりも平均身長が低いことがわかっています。^{[ 32 ]}

標高2,500メートル（8,200フィート） 以上の地域には、8,160万人が居住していると推定されている。^{[ 33 ]}アジアのチベット、アメリカ大陸のアンデス山脈、エチオピアのアムハラ人など 、高地の住民グループでは遺伝的変化が検出されている。^{[ 34 ]}この適応は、遺伝可能な行動的および遺伝的変化を伴う、高地環境に対する不可逆的で長期的な生理学的反応を意味する。これらの地域の先住民は、世界の最高地でよく繁栄している。これらの人々は、一般的な低地の住民と比較して、特に酸素呼吸と血液循環の調節システムにおいて、広範な生理学的および遺伝的変化を経験している。 ^{[ 35 ] [ 36 ]} 

Compared with acclimatized newcomers, native Amhara, Andean and Himalayan populations have better oxygenation at birth, enlarged lung volumes throughout life, and a higher capacity for exercise.^[1] Tibetans demonstrate a sustained increase in cerebral blood flow, elevated resting ventilation, lower hemoglobin concentration (at elevations below 4000 metres),^[37] and less susceptibility to chronic mountain sickness (CMS).^[1][38] Andeans possess a similar suite of adaptations but exhibit elevated hemoglobin concentration and a normal resting ventilation.^[39] These adaptations may reflect the longer history of high altitude habitation in these regions.^[40][41]

A lower mortality rate from cardiovascular disease is observed for residents at higher altitudes.^[42] Similarly, a dose–response relationship exists between increasing elevation and decreasing obesity prevalence in the United States.^[43] This is not explained by migration alone.^[44] On the other hand, people living at higher elevations also have a higher rate of suicide in the United States.^[45] The correlation between elevation and suicide risk was present even when the researchers control for known suicide risk factors, including age, gender, race, and income. Research has also indicated that oxygen levels are unlikely to be a factor, considering that there is no indication of increased mood disturbances at high altitude in those with sleep apnea or in heavy smokers at high altitude. The cause for the increased suicide risk is as yet unknown.^[45]

Mitigation may be by supplementary oxygen, pressurisation of the habitat or environmental protection suit, or a combination of both. In all cases the critical effect is the raising of oxygen partial pressure in the breathing gas.^[1]

Room air at altitude can be enriched with oxygen without introducing an unacceptable fire hazard. At an altitude of 8000 m the equivalent altitude in terms of oxygen partial pressure can be reduced to below 4000 m without increasing the fire hazard beyond that of normal sea level atmospheric air. In practice this can be done using oxygen concentrators.^[46]

The ambient air temperature is predictably affected by altitude, and this also has physiological effects on people exposed to high altitudes. The temperature effects and their mitigation are not inherently different from temperature effects from other causes, but the effects of temperature and pressure are cumulative.

The temperature of the atmosphere decreases by a lapse rate, mostly caused by convection and the adiabatic expansion of air with decreasing pressure.^[47] At the peak of Mount Everest, the average summer temperature is −19 °C (−2 °F) and the average winter temperature is −36 °C (−33 °F).^[48] At such low temperatures, frostbite and hypothermia become risks to humans. Frostbite is a skininjury that occurs when exposed to extreme low temperatures, causing the freezing of the skin or other tissues,^[49] commonly affecting the fingers, toes, nose, ears, cheeks and chin areas.^[50] Hypothermia is defined as a body core temperature below 35.0 °C (95.0 °F) in humans.^[51] Symptoms range from shivering and mental confusion,^[52] to hallucinations and cardiac arrest.^[51]

In addition to cold injuries, breathing cold air can cause dehydration, because the air is warmed to body temperature and humidified from body moisture.^[18]

There is also a higher risk of sunburn due to the reduced blocking of ultraviolet by the thinner atmosphere.^[53][54] The amount of UVA increases approximately 9% with every increase of altitude by 1,000 metres (3,300 ft).^[55] Symptoms of sunburn include red or reddish skin that is hot to the touch or painful, general fatigue, and mild dizziness. Other symptoms include blistering, peeling skin, swelling, itching, and nausea.

アスリートにとって、高地はパフォーマンスに相反する 2 つの影響をもたらします。爆発的な種目 (400 メートルまでの短距離走、走り幅跳び、三段跳び) では、気圧の低下により大気からの抵抗が少なくなり、アスリートのパフォーマンスは一般的に高地で向上します。^{[ 56 ]}持久力種目 (800 メートル以上のレース) では、主な影響は酸素の減少であり、これは一般的にアスリートのパフォーマンスを高地で低下させます。^{[ 57 ]}この低下を測定する 1 つの方法は、激しい運動中に個人が O2 を利用できる最大能力を測定する_VO2maxを監視することです。順応していない個人の場合、VO2max_は中程度の高度で大幅に低下し始め、1,500 メートルから始まり、1,000 メートルごとに 8 ～ 11 パーセント低下します。^{[ 58 ]}

耐久レース

アスリートは、高地順応を利用してパフォーマンスを向上させることもできます。^{[ 13 ]}体が高地に適応するのに役立つ変化は、海抜に戻ったときにもパフォーマンスを向上させます。しかし、これは常に当てはまるわけではありません。アスリートは通常、海抜に比べて高地ではそれほど激しい運動ができないことから、順応によるプラスの効果はトレーニング効果の低下によって打ち消される可能性があります。^{[ 62 ]}

この難問から、「高地生活、低地トレーニング」として知られる高地トレーニング法が開発されました。この方法では、アスリートは1日に何時間も休息と睡眠を1つの（高）高度で過ごしますが、トレーニングの大部分、場合によってはすべてを別の（低）高度で行います。1990年代後半にユタ州で行われた一連の研究では、このようなプロトコルを数週間実行したアスリートのパフォーマンスが大幅に向上したことが示されました。^{[ 62 ] [ 63 ]} 2006年の別の研究では、海抜で生活しながら高地でいくつかの運動セッションを行うだけでパフォーマンスが向上することが示されています。^{[ 64 ]}

高地トレーニングのパフォーマンス向上効果は、赤血球数の増加^{[ 65 ]} 、より効率的なトレーニング^{[ 66 ]}、または筋肉生理の変化^{[ 67 ] [ 68 ]によるものと考えられる。}

2007年、FIFAは標高2,500メートルを超える場所での国際サッカー試合の開催を一時的に禁止し、事実上、ボリビア、コロンビア、エクアドルの首都を含む一部のスタジアムでのワールドカップ予選開催を禁止した。 ^{[ 69 ]} FIFAの執行委員会は、その裁定において、高地に順応したホームチームが不公平なアドバンテージを持っていると彼らが考えたことを特に挙げた。この禁止は2008年に撤回された。^{[ 69 ]}

• Nosek, Thomas M. 「Section 4/4ch7/s4ch7_32」。Essentials of Human Physiology。 2016年3月24日にオリジナルからアーカイブされました。
• IPPA（高地病理学研究所）。