低酸素性換気反応
高度上昇に対する生物学的反応

低酸素性換気反応（HVR ）とは、低酸素状態によって引き起こされる換気の増加であり、これにより体はより低濃度の酸素をより速く取り込み、輸送することができる。低地住民が高地へ移動すると、当初はHVRが上昇するが、順応するにつれて時間とともに大幅に低下する。[1] [2]生物人類学では、HVRは高地に起因する環境ストレスへの人間の適応を指すこともある。[3]

哺乳類において、HVRはいくつかの生理学的メカニズムを引き起こします。これは動脈血中の酸素分圧の低下による直接的な結果であり、換気量の増加につながります。体は急性低酸素症に対処するために様々な方法を持っています。肺換気に依存する哺乳類は、組織への酸素供給不足を補うために換気量を増加させます。[2]哺乳類はまた、好気性代謝と酸素需要の減少、そしてATP産生の増加を経験します。

生理学的メカニズムは効果と経過が異なります。HVRは時間依存的であり、2つの段階に分けられます。第1段階（0～5分）は換気が増加、第2段階（5～20分）はゆっくりと減少します。[4]

HVRによる換気量の増加は、脳循環の入口である両側に位置する頸動脈小体によって開始されます。[2]頸動脈小体には酸素感受性細胞が含まれており、低酸素状態に反応して活性化します。これらの細胞は脳幹に情報を送り、脳幹はそれを呼吸中枢で処理します。その他のメカニズムとしては、低酸素誘導因子、特にHIF1が挙げられます。[2]ホルモンの変化もHVRと関連しており、特に頸動脈小体の機能に影響を与えるホルモンの変化がHVRと関連しています。[5]

HVRは酸素供給量の減少に対する反応であるため[1]、低酸素症と同じ環境要因によって引き起こされます。このような前兆としては、高地への旅行[6]や一酸化炭素濃度の高い環境での生活[7]などが挙げられます。気候と相まって、HVRは体力や水分補給に影響を与える可能性があります[2]。特に、人間が低酸素症に長時間さらされる限界である高度6000メートルを超える低地住民にとって、HVRは過換気を引き起こし、最終的には身体の衰弱につながる可能性があります。酸素消費量は最大で毎分1リットルまで減少します[8] 。

高地に順応した旅行者は、酸素摂取量の増加、身体的・精神的パフォーマンスの向上、高地関連疾患に対する感受性の低下などの利点があるため、高地呼吸（HVR）レベルが高い。[1]高地に住む人々の 適応は、文化的なものから遺伝的なものまで多岐にわたり、集団間でも異なる。例えば、高地に住むチベット人は、同程度の高度に住むアンデス山脈の人々よりも低酸素性換気反応に敏感であるが、 [5] [9]両集団とも低地の人々に比べて高い有酸素能力を示している。[10]この違いの原因は遺伝的要因である可能性が高いが、発達要因も寄与している可能性がある。[10]

生理

急性低酸素性換気反応

急性反応（AR）

低酸素性換気反応の第一段階は、低酸素環境に対する初期反応から始まり、短期増強（STP）として知られるピークに至る過程である。[11]この過程は、血液中の酸素分圧の低下によって引き起こされる。頸動脈小体のI型グロムス細胞は酸素レベルの変化を検知し、頸動脈洞神経に向けて神経伝達物質を放出する。これが脳を刺激し、最終的に換気量の増加につながる。[2]換気量の増加時間は個人差があるが、通常は10分未満である。[12]

短期増強（STP）

STPとは、急性低酸素反応後の換気量の増加と、頸動脈洞神経刺激による心拍数の低下後に最終的に換気が平衡状態に戻ることです。このメカニズムは通常1～2分間持続します。[13] STPは、一回換気量または横隔膜神経出力の振幅に最も顕著に現れます。

短期うつ病（STD）

STDは、頸動脈の化学求心性刺激の開始時に呼吸頻度が一時的に上昇するか、または終了時に呼吸頻度が一時的に低下する現象です。このメカニズムは数秒から数分間持続します。 [14] STPは、横隔膜の収縮を引き起こす横隔膜神経刺激の呼吸頻度においてのみ発見されています。

持続性低酸素症に対する換気反応

低酸素環境に24時間以上滞在し続けると、安定した換気量が得られます。 [11]この環境の偶発性により低炭酸ガス血症が起こり、換気量が減少します。[15]

慢性低酸素性換気反応

慢性低酸素症は、転写因子である低酸素誘導因子（HIF）によるさらなる生理学的変化を引き起こします。HIFは、HIF-1αとHIF-1βサブユニットからなる二量体です。通常、HIF-1αはHIF-1βと結合できません。しかし、酸素分圧が低下すると、HIF-1αの転写後修飾が誘導され、HIF-1αはHIF-1βと二量体を形成してHIF-1を形成します。HIF-1は、血管新生、エリスロポエチン産生の増加、嫌気性代謝の促進など、酸素利用率の低下に体が適応するのに役立つ多くの生理学的変化を引き起こします。[2]

神経学

低酸素性換気反応において、神経系は重要な役割を果たします。このプロセスは、末梢神経系が血中酸素濃度の低下を検知することで開始されます。特に、神経伝達物質グルタミン酸は換気量の上昇と直接的な相関関係にあることが示されています。イヌを用いた研究では、グルタミン酸拮抗薬であるMK-801を投与する前後で、イヌの心血管系が様々な酸素濃度にどのように反応するかを調べました。MK-801投与により、低酸素状態において心拍数と1分間の呼吸数が顕著に減少しました。この研究によると、グルタミン酸が阻害されたときにHVRが低下したという事実は、グルタミン酸がこの反応に不可欠であることを示しているとされています。[16]

高地適応

この画像は、研究対象となった個体群が環境に適応した3つの高地を示しています。（左から右へ）アンデス高原、シミアン高原、チベット高原。[17]

標高 2,500 メートルを超える高所に居住する集団は、低酸素環境に適応している。[18]慢性 HVR は、チベット高原、アンデス高原、シミアン高原など、高所地域に歴史的に居住していたほとんどの人類集団に見られる適応のセットである。[17]合計で最大 1 億 4 千万人がそのような地域に住んでいるが、全員がこれらの適応を備えているわけではない。[19]高所に永久に定住している集団は、急性低酸素症に対して実質的に反応を示さない。アンデスとヒマラヤの原住民は、出生から新生児期にかけて、より大きな肺とより大きなガス交換表面積という形で低酸素症への適応を発達させることが示されている。 [20]この反応は遺伝的要因に起因する可能性があるが、急性低酸素症への抵抗力の発達は、個人が高所に曝露された時期によって大きく左右される。[20]遺伝的要因は個人のHVRに不明確な役割を果たしているが、長期移住者は長期間高地に住んだ後でも高地反応の減少を示さないことから、この矛盾はHVRへの反応が環境曝露と遺伝的要因の組み合わせであることを示唆している。[18]

人類学

人口

アンデス人

ペルーのクスコ（標高11,000フィート）

アンデスの人々は、HVRが低下している3つの主要な研究対象集団の1つです。これらの集団は、平均標高が13,000フィート（4,000メートル）のアンデス山脈の中やその周辺の地域に特に住んでいます。 [21] HVRは、標高11,000フィート（3,400メートル）にあるペルーのクスコの住民で研究されました。 [21]こうした高地での生活は、コカ茶の摂取を含めた文化的適応をもたらしました。コカ茶はコカの葉を水で煮て作る抽出物で、興奮剤のコカインが含まれています。数千年にわたって、アンデスの人々は急性高山病の治療薬としてコカ茶を使用してきました。[22]そして今日でもペルーの高地へ旅行する人々に与えられていますが、その有効性は議論の的となっています。[23] 2010年に旅行医学ジャーナルに掲載された研究では、コカ茶の摂取はペルーのクスコ市を訪れた旅行者の高山病の発生率の増加と実際に関連していた。 [23]

アンデス山脈の住民における換気反応はチベット人よりも著しく低く、標高約4,000メートル（13,000フィート）ではチベット人のHVR反応はアンデス山脈の住民の約2倍であることが判明している。[24]また、アンデス山脈の住民は慢性高山病（CMS）の罹患率がチベット人よりもはるかに高いため、高地適応はチベット人ほど永続的ではないようである。慢性高山病とは、長年にわたり低酸素レベルに体が有害な反応を起こす病気である。[25]

チベット人

ヒマラヤ山脈の最高峰、エベレスト山。

チベット人はチベット原産の民族で、チベット高原一帯に居住している。彼らは標高15,000フィート（4,600メートル）にまで達する高所に居住しており[26]、高所住民のHVRを調査している研究者にとって極めて興味深い存在である。これらの民族の1つがシェルパ族で、ヒマラヤ山脈をナビゲートする知識と技術を持つチベット人の集団である。歴史的に、シェルパ族はエベレスト登山隊のガイドとして契約されてきたが、シェルパ族ガイドの搾取を考慮すると、この慣行はその後衰退した。シェルパ族が山を登ったり下山したりする際のエネルギーと容易さは、酸素をより効率的に利用する能力によるものである[27] 。この優れた登山能力は、彼らの文化を変えた。観光業はシェルパ族の収入の原動力となっている。シェルパ族は、地元の知識と登山能力を活かして旅行ガイドとして活動することで、 より多くの収入を得ることができます[28] 。

遺伝学的証拠は、チベット人が紀元前1000年頃[29] [30] [31]から紀元前7000年頃[32] [33]に、より大規模な漢民族集団から分岐したことを示唆している。チベット人の高山病抵抗性に寄与するEPAS1遺伝子の重大な変異を考慮すると、チベット人に対する極端な進化圧力が、人類集団で見られる最も速い自然淘汰効果の一つを生み出したことを示唆している。[34]チベット人の低酸素換気反応への適応は、他の適応と相互作用して、良好な生殖を促進している。例えば、チベット人は幼児期の酸素飽和度が高く、高地に適応していない集団よりも乳児死亡率が低い。[35]

アムハラ

シミエン山脈 14,900 フィート

アムハラ人は、エチオピアのアムハラ地方の中央部および北部高原に居住する人々です。この地域の標高は、常に1,500メートル（4,921フィート）から4,550メートル（14,928フィート）の範囲に及びます。5,000年以上にわたり、人類はシミエン山脈付近の標高3,000メートルを超える地域に居住し、その間に高地の低酸素状態に遺伝的に適応してきました。[36] [37]

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