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Die Adaption des Menschen an grosse Höhen
VON F. VERZAR, BASEL
( Aus: CIBA-Symposium 6, 142, 1958. Nachdruck mit Genehmigung der CIBA ) Kann sich der Mensch an das Leben in grossen Höhen akklimatisieren? Vielleicht denkt man bei dieser Frage zuerst an Probleme der Flugmedizin. Aber für sie besteht das Problem gar nicht, denn in grossen Höhen fliegt man entweder in Druckkabinen oder mit Sauerstoffgeräten, so dass der niedrige Sauerstoffdruck der Höhenluft ausgeglichen wird; der Aufenthalt in grossen Höhen dauert auch immer nur verhältnismässig kurze Zeit, wobei es zwar zu akuten Störungen kommen kann, nicht aber zu einer Angewöhnung.
Unser Problem wird dann interessant, wenn es sich darum handelt, ob Menschen dauernd in grossen Höhen über 2000 bis 3000 m leben können. Bis zum Ende des vorigen Jahrhunderts war den Medizinern kaum bekannt, bis zu welcher Höhe für den Menschen eine dauernde Akklimatisation möglich ist. Als die Jungfraubahn gebaut werden sollte, gab Prof. Kronecker, Physiologe in Bern, auf eine amtliche Frage die Antwort, man möge die Konzession erst dann geben, wenn entschieden sei, dass ein Leben auf Jun€fraujcchhöhe, also auf 35C0 m, dauernd und ohne Schädigung möglich ist. In seinem Gutachten empfahl er, zuerst einen « Ballon captif » mit lebenden Tieren in diese Höhe aufsteigen zu lassen, um zu sehen, ob sie das während einiger Tage oder Wochen ertragen.
In Europa betrachten wir bereits 1800 m über Meer als sehr hoch für einen ständigen Aufenthalt. Die höchstgelegene Siedlung in der Schweiz ist Juf bei Avers ( 2133 m ). Bisher galt Juf auch als höchste Siedlung Europas. Neuere Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass diesen Platz Trepalle in der Provinz Sondrio ( Italien ) beanspruchen kann, das mit einem seiner Weiler 37 m höher liegt. Im dichtbesiedelten Engadin, dem beliebten Sommer- und Winteraufenthalt von Tausenden von Städtern, liegt der Kurort St. Moritz auf einer Höhe von 1800 m. Die Baumgrenze befindet sich in unseren Breiten nur wenig über 2000 m. Im Engadin bereits gelingt die Anpflanzung von Getreide nicht. In den Tropen dagegen sind diese Höhen noch viel bewohnt. Sowohl die Millionenstadt Mexiko-City als auch Johannesburg ( Südafrika ) liegen rund 2000 m über Meer. In Tibet und auf dem Hochplateau der Anden, in Peru und Bolivien leben in Höhen über 3000 m und bis zu 5000 m Millionen von Menschen. Der Barometerdruck beträgt dort nur 400 bis 500 mm Hg gegenüber 760 mm Hg auf Meereshöhe.
Besonders bekannt sind die Verhältnisse in Bolivien. Die Hauptstadt des Landes, La Paz, liegt auf rund 3700 m Höhe ( der Flugplatz sogar auf 4080 m ). Die Stadt hat ca. 350 000 Einwohner. Etwa die Hälfte davon sind Weisse, darunter viele Spanier, aber auch ca. 50 000 Mitteleuropäer, die erst in den letzten Jahrzehnten aus Europa eingewandert sind. In dieser schön gebauten Stadt herrscht ein lebhafter Verkehr; Verkehrspohzisten regeln ihn wie bei uns. Das Universitätsgebäude ist ein 16 Stock hoher Wolkenkratzer. Man hat von ihm einen herrlichen Rundblick bis zu dem 50 km entfernten Illimani ( ca. 6500 m ) mit seinen Gletschern. Dabei blühen in dieser Höhe Rosen und Kirschbäume.
Die Bevölkerung, auch die weisse, ist im allgemeinen vollständig an diese Höhe adaptiert. Es wird sogar viel Sport getrieben. Man spielt Tennis, vor allem aber Fussball, mit 45 Minuten Halbzeit wie im Tiefland. In der Schule haben die Kinder Turnstunden, die nicht anders verlaufen als bei uns. Eine Autostrasse führt zu einem Sporthotel auf der Chaklataya, d.h. bis zur Schneegrenze, die bei 5300 m liegt. Ein Skilift führt noch 300 m höher. Von dort fährt man auf Ski ab, nimmt den Autobus und kehrt am Abend wieder nach La Paz zurück. Alles das in Mont-Blanc-Höhe! In La Paz gibt es auch ein prächtiges Stadion, in dem ein sportmedizinisches Institut untergebracht ist. Wiederholt wurden hier Sportkämpfe mit Sportlern aus dem Tiefland ausgefochten. Man lässt den letzteren 2 bis 3 Tage Zeit, um sich zu akklimatisieren; nach dieser Frist sind sie bereits in guter Kondition.
In Peru leben in den Minenstädten Cerro de Pasco ( wo schon Barcroft 1922 seine Höhenklima-studien gemacht hat ) sowie in den grossen Gebieten von Oroja und Morococha Zehntausende von Bergarbeitern, die in den Blei-, Platin-, Silber- oder Goldminen arbeiten, in Höhen zwischen 4000 und 5000 m. In Bolivien liegen die reichen Zinn- und sonstigen Minen von Catavi und Potosi auf derselben Höhe.
Entlang dem schönen Tal von Cuzco zwischen 3500 und 4000 m hat sich die reiche Inkakultur entwickelt, bis zum Titicacasee hin, der selbst auf 3800 m liegt. Die Altiplano-Indianer leben hier von Landwirtschaft und Viehzucht. Lamaherden weiden auf den karstigen Hängen. Kartoffel und Hirse werden bis zu 4000 m Höhe angepflanzt. Bei der Reise durch das Land sieht man die Indianer, oft mit schweren Lasten beladen, über die Hochebene wandern, von Dorf zu Dorf, um an einem Markt, einem Fest oder einem Begräbnis mit nachfolgendem Trinkgelage teilzunehmen.
Auf einem Pass von fast 5000 m Höhe begegneten uns zwei Indianerinnen, die auf dem Rücken riesige Bündel Heu trugen, unter denen sie kaum zu sehen waren.
Eine volle Akklimatisation ist also für die seit Jahrtausenden hier lebende Bevölkerung durchaus vorhanden. Zwar wird gesagt, dass der eingeborene Arbeiter weniger leiste als ein europäischer; dass kann aber ebensogut rassisch bedingt oder die Folge der ungenügenden Ernährung sein, deren Mängel man durch Kauen von Kokablättern zu vergessen sucht.
Auch beim hierheraufkommenden Bewohner des Tieflandes gelingt die Akklimatisation. Sie tritt zwar nicht sofort ein, aber doch relativ rasch. Fliegt man allerdings in fünf Stunden von Lima am Meer über die gegen 7000 m hohen Anden nach La Paz, und zwar in einem zweimotorigen Flugzeug ohne Druckkabine, so ist man schon etwas mitgenommen! Man saugt an seinem Sauerstoffgerät und kann damit das während des Fluges von Zeit zu Zeit auftretende Kopfweh überwinden, ist aber bei der Ankunft ausgesprochen bergkrank und legt sich am besten bis zum nächsten Tag ins Bett. Am andern Morgen schon sind zwar nicht alle, aber doch die meisten Passagiere wieder frisch und munter. Man kann bereits seiner Arbeit nachgehen, nur Treppensteigen fällt noch schwer. Nach einigen Tagen ist man genau so akklimatisiert wie die ansässigen Weissen.
Ein in La Paz 1947 eingewanderter israelitischer Sportklub hat schon im ersten Jahr in einer Reihe von Sportarten seine einheimischen Gegner geschlagen. Den Mitteilungen des sportmedizinischen Institutes entnahm ich eine Anzahl von interessanten Angaben. So sind hier auf 4000 m Höhe die Zeiten für den 100-Meter-Lauf nicht schlechter, sondern sogar um Zehntelsekunden besser gewesen als im Tiefland. Auch die Leistungen im Springen, Diskus- und Speerwurf waren bei manchen Athleten besser als im Unterland. Man nimmt an, dass der geringere Luftwiderstand eine wichtige Rolle im Sinne einer Erleichterung gespielt hat. Solche kurzen sportlichen Leistungen, besonders der 100-Meter-Lauf, wickeln sich in 10-12 Sekunden ab und ohne Beschleunigung der Atmung. Der im Blut vorhandene Sauerstoff wird zwar ausgenützt, aber ein Grossteil der Energieproduktion ist « anoxybiotische Arbeit », d.h. sie findet ohne Sauerstoffaufnahme statt. Der Sauerstoff wird erst nachträglich aufgenommen, und tatsächlich verlängert sich die Nach-periode der Arbeit mit vermehrter Atmung in der Höhe. Es braucht mehr Zeit, bis das ausgenützte Blut und die Gewebe wieder mit Sauerstoff versorgt sind.
Deshalb ist bereits beim 800-Meter-Lauf die Leistung in der Höhe nicht mehr besser, sondern schlechter als im Tal. Jetzt kann man die Arbeit unmöglich anoxybiotisch leisten, die Restitution muss schon während des Laufes beginnen; somit steht dabei nicht genügend Zeit für eine vollkommene Erholung zur Verfügung.
Die Erscheinung, dass bei längerer Arbeit das Blut mehr ausgenützt wird, dass sein Sauerstoffgehalt stärker sinkt, obwohl die Person bei Ruhe voll akklimatisiert ist, kann man schon auf etwa 2000 m Höhe beobachten. So sahen wir in St. Moritz-Chantarella bei einem Versuch mit dem Fahrradergometer, dass der Gehalt des Blutes an Oxyhämoglobin viel stärker sank als im Unterland. Mit Hilfe einer spezifisch sensiblen Photozelle konnte man das durch die Haut der Hand verfolgen. Obwohl also in Ruhe das Blut ebensogut mit Sauerstoff versehen war wie im Unterland, sank die Sauerstoffsättigung bei gleicher Arbeit in der Höhe stärker ab. Deshalb kann es passieren, dass jemand, der sich auf 3500 m Höhe, z.B. auf dem Jungfraujoch, eine zu grosse Arbeit zumutet, etwa zu schnell die Treppen hinaufläuft, besonders dann, wenn er noch nicht ganz akklimatisiert ist, blau im Gesicht wird und erschöpft oder sogar bewusstlos zusammenbricht.
Damit kommen wir zu der Frage, welche Wege der Adaptation an grosse Höhen unser Körper gehen muss und auf welche Weise dann eine so vollkommene Anpassung herbeigeführt wird, wie wir es bei den Höhenbewohnern geschildert haben.
Die wesentliche Wirkung der grossen Höhen auf den Körper wird nicht durch die Abnahme des atmosphärischen ( barometrischen ) Druckes verursacht, sondern durch die gleichzeitig damit verbundene Abnahme des Partialdruckes des Sauerstoffs. Auch in der Höhe besteht die Luft zu etwa 21% aus Sauerstoff. Auf Meereshöhe entspricht das einem Druck von rund 160 mm Hg.
In der Lunge seibst ist der Druck niedriger, weil Ein- und Ausatmungsluft gemischt sind. Aber auch bei dem in der Lunge herrschenden Sauerstoffdruck ist praktisch alles Hämoglobin noch mit Sauerstoff gesättigt ( 97% Oxyhämoglobin ). Oberhalb 2000 m sinkt mit dem Sauerstoffpartialdruck die Sauerstoffsättigung des Blutes und, wie man sich ausdrückt, der « Sauerstoffdruck im Gewebe ». Je höher man steigt, um so niedriger wird dieser, um so weniger Sauerstoff strömt in der Zeiteinheit zum Gehirn, zu den Muskeln und anderen Organen.
Die Adaptation an die Höhe besteht nun darin, dass der Körper alle möglichen Methoden anwendet, um eine bessere Sauerstoffversorgung der Gewebe zu erreichen. Als erstes wird der Blut-kreislaufbeschleunigt. Das Herz schlägt rascher, der Blutdruck steigt an. Bald erweitern sich die Kapillaren, besonders in den Muskeln. Dadurch strömt verhältnismässig viel Blut durch die Gewebe. Das Blut wird weniger stark ausgenützt. Der Partialdruck des Sauerstoffs im Gewebe sinkt weniger, und es kann mehr Sauerstoff zu den Zellen oder Muskelfasern gelangen. Gleichzeitig mit der Verbesserung der Blutversorgung wird die Atmung beschleunigt und vertieft. Und sehr rasch tritt eine weitere kompensatorische Massnahme auf: die respiratorische Oberfläche der Lunge wird etwa um 30% vergrössert. Der Gasaustausch zum Blut erfolgt bekanntlich durch die äusserst dünne Wand der Alveolen. Kaum atmet man mit einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck, so wird -beim Menschen wie beim Tier - das Lungenvolumen vergrössert. Das geschieht auf die Weise, dass der Brustkorb dauernd eine erhöhte Einatmungsstellung beibehält, die Lunge gedehnt wird und kaum geöffnete und deshalb nur wenig ventilierte Alveolarsäcke nun durchlüftet werden. Dabei spielt auch die glatte Muskulatur der Bronchiolen und, soweit vorhanden, auch die des Lungengewebes selbst eine Rolle. Sie ist adrenergisch, d.h. sympathische Reiz Wirkungen, speziell Adrenalin, hemmen sie und erleichtern damit das Eröffnen der Alveolarsäcke. Durch die Vergrösserung dieser atmenden Oberfläche der Lunge tritt mehr Sauerstoff in das Blut über; das in der Zeiteinheit vermehrt durch die Lungen strömende Blut kann ihn nun aufnehmen.
Bald kommt eine weitere Hilfe für die erhöhte Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff. Die den Sauerstoff übertragende Oberfläche wird vergrössert durch Vermehrung der roten Blutkörperchen. Bekanntlich hat man auf Meereshöhe rund 5 Millionen rote Blutkörperchen pro mm3. Individuelle Schwankungen liegen zwischen 4½ und 5½ Millionen. Geht man für einige Wochen auf das Jungfraujoch ( 3450 m ), dann steigt innerhalb 10 bis 14 Tagen die Zahl auf 6½ Millionen pro mm3. In La Paz - auf 3700 m Höhe - gilt als die Normalzahl der roten Blutkörperchen 6½ Millionen. Proportional vergrössert sich auch der Anteil des Hämoglobins. Dadurch kann also etwa 30% mehr Sauerstoff transportiert werden. Ferner nimmt die Blutmenge etwas zu, und man sieht im Blut nun junge rote Blutkörperchen, die sog. Retikulozyten, die auch daran erkennbar isind, dass sie sich resistenter gegenüber Hämolyse verhalten.
Wie man sieht, bewerkstelligt der Körper die Adaptation an grosse Höhen durch Vergrösserung von drei Oberflächen:
1. der Kapillaroberfläche in den Geweben, durch die der Sauerstoff vom Blut zu den Muskelfasern, Nervenzellen usw. diffundiert; hierzu gehört auch die Beschleunigung des Blutkreislaufes; 2. der respiratorischen Oberfläche der Lunge, die erweitert und mehr durchlüftet wird; 3. der Sauerstoff übertragenden Oberfläche, indem die Erythrozyten, das Hämoglobin und das Gesamtblut vermehrt werden.
Dass diese vielfachen Bemühungen des Körpers von Erfolg gekrönt sind, kann man durch direkte Messungen des Gewebesauerstoffdruckes nachweisen. Man ist bei Tieren und im Selbstversuch so vorgegangen, dass man eine Stickstoffblase unter die Haut gespritzt, nach einiger Zeit das Gas entnommen und gemessen hat, wie hoch der Sauerstoffdruck geworden war. Die Regulationen wirken so gut, dass der Gewebesauerstoffdruck durchaus nicht parallel mit dem äusseren Sauerstoffdruck abfällt, sondern noch lange Zeit erhöht bleibt.
Man wird natürlich begreifen, dass es bei einem so vielfältigen Adaptationsvorgang erstens Zeit braucht, bis alle diese Prozesse aufeinander abgestimmt sind, und dass es zweitens auch zu mancherlei Störungen kommen kann, wenn sich nicht alle Organe gleich gut adaptieren. Während eines plötzlichen Aufstieges in eine grosse Höhe sind diese Prozesse noch nicht ausgebildet. Die Atmung ist zuerst vermehrt und die Herzarbeit oft übermässig verstärkt. Die Blutkörperchenzahl nimmt vorerst noch nicht zu. So leiden am Anfang des Aufstieges die Gewebe unter Sauerstoffmangel, und damit gehen Erregbarkeitsveränderungen des Nervensystems einher. Schweizer Forscher fanden auf dem Jungfraujoch Beweise für eine erhöhte vegetativ autonome Erregbarkeit, besonders im Sinne einer vermehrt adrenergischen und vermindert cholinergischen Lage.
Schon in den sog. mittleren Höhen auf 1800 m im Engadin fand man Ähnliches. Die Erregbarkeit der Hautkapillaren gegenüber parasympathischen Reizen sank. Vielleicht ist gerade diese « Umstellung der autonomen Erregbarkeit » jener lange gesuchte Faktor, der die belebende, erfrischende, viele Personen zur erhöhten Aktivität anregende Wirkung des mittleren Klimas, z.B. im Engadin, erklärt.
Fraglich ist allerdings, ob auch diese Änderung nur durch die Abnahme des Sauerstoffpartial-druckes erklärt werden kann. Denn das Blut ist auf dieser Höhe mit 95% Sauerstoff noch weitgehend gesättigt. Andererseits wird bei körperlicher Arbeit, also bei vermehrtem Sauerstoffbedarf, und besonders am Anfang des Höhenaufenthaltes das Blut stärker venös, wie wir oben gezeigt haben. Es könnte sein, dass das als Reiz auf die Zentren des vegetativen Nervensystems wirkt, von denen dann Erregungen an das sympathische System und besonders auch an das Neben-nierenmark und die Nebennierenrinde gehen. Es kommt in der Höhe sowohl zu Adrenalinsekre-tion als auch zu Corticosteroidausschüttung.
Somit wird das Bild, das wir von der Adaptation in grossen Höhen gewinnen, immer komplizierter. Notwendig ist die Mitwirkung des ganzen Organismus. Daraus folgt aber auch, dass ein nicht gesunder Körper Schwierigkeiten haben wird, sich an extreme Höhen von über 2000 m zu adaptieren. Nicht umsonst warnt man Herzkranke, sie sollen nur stufenweise in solche Höhen reisen. Andererseits ist erstaunlich, dass selbst in La Paz, auf rund 4000 m Höhe, die eingeborenen Herzkranken nicht anders als bei uns behandelt werden; selbst der kranke Kreislauf kann sich also noch adaptieren.
Aber wir wollen nicht verschweigen, dass es bei der Adaptation an grosse Höhen auch Rätsel gibt, die noch nicht gelöst sind. Das eine ist die « überdauernde Adaptation » ( retained adaptation ). Sie wurde an Versuchsratten beobachtet, die man längere Zeit bei einem Barometerdruck von einer halben Atmosphäre gehalten hatte. Brachte man die Tiere dann auf den Druck des Tieflandes und nach einigen Tagen wieder auf eine halbe Atmosphäre, was einer Höhe von 6500 m entspricht, so traten keine Störungen auf. Die Höhenanpassung war noch immer vorhanden. Die Erscheinung ist besonders deutlich bei jungen Tieren, während alte oft versagen. Es müssen sich Veränderungen im Körper ausgebildet haben, die auch nach der Rückkehr auf Meereshöhe per-sistieren. Wir wissen heute noch nicht, ob es sich dabei um substantielle Neubildung von Fer-menten oder um zentralnervöse, der Erinnerung ähnliche Prozesse handelt. Interessanterweise wurde auch beim Menschen Ähnliches beobachtet, und zwar von der deutschen Mount-Everest-Expedition, deren Teilnehmer nach der Rückkehr noch längere Zeit eine erhöhte Widerstandskraft gegenüber niedrigem Druck zeigten.
Auch eine andere, uns heute mehr denn je interessierende Frage sei berührt. Bereits vor 25 Jahren wurden auf dem Jungfraujoch Experimente durchgeführt, um festzustellen, ob die in dieser Höhe intensive « Höhenstrahlung » nachweisbare Wirkungen hat. Als Objekt diente die Tau-fliege Drosophila; man suchte nach neuen Mutationen, die durch die Strahlung verursacht wären. Damals blieb man sehr vorsichtig in den Schlussfolgerungen, die auch nicht publiziert wurden. Vor kurzem ist das Problem wieder aktuell geworden. Bei der Diskussion, ob die vermehrte, durch Atom- und Wasserstoffbomben-Explosionen verursachte radioaktive Strahlung eine Gefahr bedeutet, hat man im englischen Oberhaus gesagt, auch die Höhenstrahlung schade dem Menschen nicht, wie das Leben in Tibet und auf dem Altipiano der Anden zeige. Sicher ist, dass die Höhenstrahlung auf 4000 m Höhe viel intensiver ist als auf Meereshöhe, wo sie vom Wasserdampf der Atmosphäre absorbiert wird. Sie dürfte jedoch durch ihren Intensitätsgrad keine stark vermehrten Möglichkeiten schaffen, dass Gene getroffen werden und Mutationen entstehen. Hingegen erscheint eine Anpassung an Strahlung undenkbar - auch dann, wenn man von « Faktoren, die Mutationen hemmen » spricht; denn auch diese könnten durch die Strahlung zerstört werden. Es dürfte interessant sein, in Zukunft auch auf diesen Punkt zu achten.
Man hat oft versucht, das Leben als solches zu definieren. Aber es lässt sich weder mit physikalischen noch mit chemischen Vorgängen erklären. Leben ist ein fliessendes Gleichgewicht zahlloser verschiedener Prozesse. Gegenüber dem Nichtleben scheint nur eines charakteristisch: die Fähigkeit der lebenden Organismen, sich Änderungen der Umwelt anzupassen. Diese Adapta-tionsfähigkeit ermöglicht es dem Menschen, zwischen Meereshöhe und 2000 m ungestört zu leben, nach weiterer Adaptation sogar auf einem Niveau bis zu 4500 m Höhe. Damit sind allerdings die Grenzen seiner Höhenadaptation erreicht. Bei kurzfristigen Expeditionen wurden zwar Leistungen vollbracht, die Menschen bis auf die 80D0-m-Höhen des Himalaya gelangen liessen, aber dauerndes Leben, gesunde Arbeitsleistung dürften oberhalb der 4500-m-Grenze ausgeschlossen sein. Die Höhenadaptation als solche ist jedoch das schönste Beispiel für die Anpassungsfähigkeit unseres Körpers.