การได้ไปเที่ยวในที่สูง ๆ ไม่ว่าจะเป็น เมืองภูเขา ยอดเขา คงเป็นความใฝ่ฝันของหลาย ๆ คนแล้วถ้าสถานที่ท่องเที่ยวเหล่านั้นอยู่สูงเหนือระดับน้ำทะเลมาก ๆ เช่น เมืองเลห์ลาดักในอินเดีย เมืองลาซาในทิเบต และเทือกเขาเอเวอเรสต์ ซึ่งมีความดันบรรยากาศต่ำมาก จะมีผลกระทบต่อร่างกายอย่างไรบ้าง อาการที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร

ภาพ 1 เมืองลาซา (Lhasa) ในทิเบต ที่ระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 3,650 เมตร

ภาพ 2 Gorakshep, Sagarmatha National Park ในเนปาล (อยู่ใกล้กับ Everest Base Camp)
ที่ระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 5,164 เมตร

การหายใจกับความดันอากาศ

   การหายใจเข้าและออกเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศในช่องอก ซึ่งเป็นการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลมและกล้ามเนื้อระหว่างกระดูกซี่โครง โดยในขณะที่เราหายใจเข้า กล้ามเนื้อกะบังลมจะเคลื่อนต่ำลง กล้ามเนื้อระหว่างกระดูกซี่โครงแถบนอกหดตัว ทำให้กระดูกซี่โครงยกสูงขึ้น ส่งผลให้ปริมาตรในช่องอกเพิ่มขึ้น ความดันอากาศในช่องอกลดลงความดันอากาศรอบ ๆ ปอดต่ำกว่าความดันอากาศภายนอกอากาศภายนอกจึงเคลื่อนเข้าสู่ปอด ดังภาพ 3

   เมื่ออากาศเข้าสู่ปอดจะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สที่บริเวณถุงลม ซึ่งการแพร่ของแก๊สออกซิเจน อาศัยความแตกต่างของความดันย่อยของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดฝอยที่ล้อมรอบถุงลม โดยความดันย่อยของออกซิเจนในถุงลมมีค่าสูงกว่าในหลอดเลือดฝอย ออกซิเจนจึงแพร่จากถุงลมเข้าสู่หลอดเลือดฝอย และลำเลียงไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย

ภาพ 3 การหายใจเข้า

ลองทำดู

   กิจกรรมการจำลองการทำงานของกล้ามเนื้อกะบังลม เพื่อศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศส่งผลต่อการหายใจอย่างไร ศึกษาวิธีการได้จากวีดิทัศน์ ใน QR Code นี้

ภาพตัวอย่างการทดลอง และ QR Code เพื่อเข้าชมวีดิทัศน์

วัสดุและอุปกรณ์

   1. หลอดฉีดยาพลาสติกใส 50 mL

   2. ลูกโป่ง

   3. จุกยาง

   ในอากาศมีแก๊สหลายชนิดเป็นองค์ประกอบ เช่น แก๊สไนโตรเจน แก๊สออกซิเจน และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ความดันของแก๊สชนิดหนึ่ง ๆ ภายในปริมาตรที่กำหนด เรียกว่า ความดันย่อย (Partial Pressure) คำนวณได้จากผลคูณของความดันรวมและสัดส่วนของแก๊สนั้น

   ความดันบรรยากาศในแต่ละพื้นที่บนโลกมีค่าไม่เท่ากัน พื้นที่ที่อยู่สูงเหนือระดับน้ำทะเลจะมีความดันบรรยากาศลดลง เราลองเปรียบเทียบความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศที่ความสูงต่าง ๆ โดยให้สัดส่วนโดยปริมาตรของออกซิเจนในบรรยากาศเป็น 21 % เท่ากัน ดังนี้

• ที่ระดับน้ำทะเล ความดันบรรยากาศมีค่า 760 mmHg ดังนั้น ความดันย่อยของออกซิเจนมีค่าประมาณ 160 mmHg คำนวณได้จาก 760 x (21/100)

• ที่ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 3,048 เมตร ความดันบรรยากาศมีค่า 523 mmHg ดังนั้น ความดันย่อยของออกซิเจนมีค่าประมาณ 110 mmHg คำนวณได้จาก 523 x (21/100)

   จะเห็นได้ว่า ความดันย่อยของออกซิเจนในอากาศที่ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 3.048 เมตร จะลดลงเหลือเพียง 110 mmHg จาก 160 mmHg การเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลต่อปริมาณออกซิเจนที่ร่างกายได้รับหรือไม่

   Grocott MPW และคณะ (2009) ได้ศึกษาค่าออกซิเจนในหลอดเลือดแดง (Artery) ของนักปีนเขาเอเวอเรสต์ ได้ผลดังกราฟ 1 และ 2 โดยกราฟที่ 1 ซึ่งแสดงค่าความดันบรรยากาศ (Barometric Pressure. PB) และค่าความดันย่อยของออกซิเจนที่หายใจเข้า (Partial Pressure of Inspired Oxygen, PiO₂ ) สังเกตได้ว่าในพื้นที่ที่มีระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมากขึ้น ความดันบรรยากาศและความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศจะยิ่งลดลง และจากกราฟที่ 2 สังเกตได้ว่าค่าความดันย่อยของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงอาร์เทอรี (Partial Pressure of Arterial Oxygen, PaO₂) จะยิ่งลดลงเช่นกัน

 กราฟ 1 ค่าความดันบรรยากาศ (Barometric Pressure. PB)
และค่าความดันย่อยของออกซิเจนที่หายใจเข้า

กราฟ 2 ค่าความดันย่อยของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงอาร์เทอรี
(Partial Pressure of Arterial Oxygen, PaO2) 
ที่มา Grocott MPW, et al. Arterial Blood Gases and oxygen content in climbers on Mount Everest. NEJM. 2009.360: 140-149, from https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJ Moa0801581

   ในเมืองลอนดอนที่สูงเหนือระดับน้ำทะเลเล็กน้อย (ความดันบรรยากาศ = 754 mmHg และ PiO₂ = 148.0 mmHg) เมื่อวัดค่า PaO₂, จากเลือด พบว่ามีค่าต่ำกว่า 100 mmHg เล็กน้อย แต่เมื่อนักปีนเขากลุ่มนี้เดินทางไปยัง Everest Base Camp ที่ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 5,300 เมตร (ความดันบรรยากาศ = 403.5 mmHg และ PiO₂ = 74.7 mmHg) พบว่าค่า PaO₂ ที่วัดได้ในเลือดมีค่าน้อยกว่า 50 mmHg และเมื่อนักปีนเขาเดินทางไปถึงยอดภูเขาเอเวอเรสต์ ที่ความสูงเหนือระดับน้ำทะเล 8,848 เมตร ความดันบรรยากาศลดลงเหลือเพียง 253 mmHg นอกจากนี้ค่า PiO, จะมีค่าต่ำมากเพียง 43.1 mmHg ซึ่งเป็นสภาวะที่ไม่เหมาะกับการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต และค่า Pa ที่วัดได้ในเลือดลดต่ำลงมาก

   ทำไมยิ่งสูงจึงยิ่งเหนื่อย เมื่อเราเดินทางไปยังสถานที่ที่มีความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมาก ความดันบรรยากาศลดลงความดันของออกซิเจนลดลง แต่ปอดของเรายังคงมีปริมาตรคงที่ ไม่ว่าเราจะเดินทางไปสถานที่ใดก็ตาม เราหายใจโดยได้รับปริมาตรของอากาศเท่าเดิม ดังนั้น ร่างกายจึงได้รับออกซิเจนน้อยลง เมื่อประสิทธิภาพในการหายใจลดลง พลังงานสำหรับทำกิจกรรมต่าง ๆ ในร่างกายอาจไม่เพียงพอ ทำให้เรารู้สึกเหนื่อยได้ง่าย

อาการป่วยจากการเดินทางไปที่สูง

   เมื่อนักท่องเที่ยวที่อาศัยอยู่ในที่ราบลุ่มเดินทางไปพื้นที่อยู่สูงเหนือระดับน้ำทะเลมากและในเวลาที่รวดเร็ว อาจมีอาการป่วย ที่เรียกว่า ALTITUDE SICKNESS จากการสำรวจพบว่า 75% ของนักท่องเที่ยวที่เดินทางไปพื้นที่ที่มีความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมากกว่า 2,500 เมตร จะแสดงอาการป่วยที่ไม่รุนแรง เช่น ปวดศีรษะ วิงเวียน คลื่นไส้ อ่อนเพลีย เบื่ออาหาร และหายใจลำบาก ซึ่งอาการจากการขาดออกซิเจนเหล่านี้จะค่อย ๆ ดีขึ้นเมื่อร่างกายมีการปรับให้คุ้นชินกับสภาพแวดล้อม ทั้งนี้หากเดินทางไปยังที่สูงมาก ๆ ในบางกรณีอาจมีอาการป่วยที่รุนแรง เช่น ปอดบวมน้ำ สมองบวม เห็นภาพหลอน หมดสติ หรืออาจถึงขั้นเสียชีวิตได้ ในการเดินทางจึงไม่ควรเดินทางขึ้นที่สูงเร็วเกินไป ควรวางแผนพักที่เมืองที่อยู่ต่ำกว่าก่อนเพื่อปรับตัว ในบางคนอาจใช้ถังอากาศเพื่อเพิ่มแก๊สออกซิเจน

การปรับให้คุ้นสภาพแวดล้อมในที่สูงของมนุษย์

   มนุษย์สามารถมีการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาเพื่อตอบสนองกับสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปได้ เช่น ระดับความสูง อุณหภูมิ และความชื้น การปรับร่างกายให้คุ้นสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไปนี้เรียกว่า ACCLIMATIZATION ซึ่งจะเกิดขึ้นในระยะเวลาสั้น แตกต่างจากการปรับตัวทางวิวัฒนาการที่เรียกว่า ADAPTATION ที่อาศัยระยะเวลายาวนานเป็นหลายชั่วรุ่นของสิ่งมีชีวิต

   โดยมนุษย์มีการปรับให้คุ้นสภาพแวดล้อมเพื่อให้ทนต่อภาวะออกซิเจนน้อยในที่สูง เช่น มีการหายใจลึกและเร็วขึ้น อัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มสูงขึ้น เพื่อให้สูบฉีดเลือดดีขึ้นและลำเลียงออกซิเจนได้มากขึ้น รวมทั้งเพิ่มปริมาณเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ช่วยในการขนส่งออกซิเจน ทั้งนี้การปรับให้คุ้นสภาพแวดล้อมของแต่ละบุคคลอาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพร่างกาย

   ถ้าการเดินทางไปยังสถานที่ที่ตั้งอยู่สูงเหนือระดับน้ำทะเลมาก ๆ อาจส่งผลกับสภาพร่างกายของนักท่องเที่ยวได้ แล้วกลุ่มคนพื้นเมืองที่ตั้งรกรากอาศัยอยู่ที่สูงสามารถดำรงชีวิตได้อย่างไร?

   กลุ่มคนพื้นเมืองที่อาศัยอยู่ในพื้นที่สูงเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเบาบางอยู่ตลอดเวลา แต่สามารถดำรงชีวิตและทำกิจวัตรต่าง ๆ ได้ปกติ ผลการวิจัยพบว่า กลุ่มคนเหล่านี้มีการปรับตัวทางวิวัฒนาการให้มีสรีรวิทยาที่แตกต่างจากประชากรทั่วไปที่อยู่ในพื้นที่ต่ำ ซึ่งผลของการปรับตัวที่เกิดขึ้นสามารถถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่นได้ จากการวิจัย (Beall, 2006) พบว่ากลุ่มคนพื้นเมืองที่อาศัยในที่สูงมีปริมาตรปอดสูง ซึ่งส่งผลให้ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าในแต่ละครั้งเพิ่มขึ้นและพื้นที่ผิวของถุงลมที่ใช้การแลกเปลี่ยนแก๊สเพิ่มชื้น นอกจากนี้ ยังพบว่ากลุ่มคนพื้นเมืองในที่สูงแต่ละพื้นที่อาจมีการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาบางอย่างที่แตกต่างกัน เช่น กลุ่มคนพื้นเมืองที่เทือกเขาแอนดีส ในทวีปอเมริกาใต้ มีการปรับตัวด้วยการเพิ่มความสามารถในการลำเลียงออกซิเจนไปใช้ในส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย โดยพบว่า มีจำนวนเซลล์เม็ดเลือดแดงและความเข้มข้นของฮีโมโกลบินสูงกว่าปกติ  ส่วนชาวทิเบตมีการปรับตัวให้หายใจเร็วและลึกขึ้น เพื่อนำอากาศเข้าสู่ร่างกายได้มากขึ้น อีกทั้งเส้นผ่าศูนย์กลางของหลอดเลือดเพิ่มขึ้น ช่วยให้มีการลำเลียงออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ภาพ 4 ชาวทิเบต

   นอกจากการศึกษาทางสรีรวิทยาแล้ว ยังมีงานวิจัย (Liang, et al. 2010) ศึกษาความแตกต่างทางพันธุกรรมของกลุ่มคนพื้นเมือง ที่อาศัยอยู่ในพื้นที่สูงกับกลุ่มคนที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ต่ำด้วย จากการศึกษาจีโนมของชาวทิเบตและชาวจีนฮั่นในปักกิ่ง พบว่าสองกลุ่มนี้มีข้อมูลทางพันธุกรรมแตกต่างกัน โดยพบมิวเทชันของยีนมากกว่า 30 มิวเทชันที่แพร่หลายในประชากรชาวทิเบต แต่พบจำนวนน้อยในประชากรชาวจีนซึ่งยีนเหล่านี้ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมออกซิเจนในร่างกาย โดยเฉพาะมิวเทชันของยีน EPAS1 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อภาวะพร่องออกซิเจนในร่างกาย โดยพบเกือบ 90 เปอร์เซ็นต์ในชาวทิเบตและพบเพียง 10 เปอร์เซ็นต์ในชาวจีนฮั่น การปรับตัวทางพันธุกรรมนี้ ส่งผลให้ชาวทิเบตสามารถอาศัยอยู่ในพื้นที่สูงที่มีออกซิเจนเบาบางได้อย่างปกติ

   ร่างกายของเราต้องการออกซิเจนอย่างเพียงพอตลอดเวลา เพื่อใช้ในการสร้างพลังงานสำหรับทำกิจกรรมต่าง ๆ สถานที่ที่มีความสูงเหนือระดับน้ำทะเลมากจะมีออกซิเจนเบาบาง ทำให้ผู้ที่เดินทางไปได้รับออกซิเจนไม่เพียงพอ เกิดอาการเหนื่อยล้าวิงเวียน ปวดศีรษะได้ ซึ่งเมื่อร่างกายได้ปรับให้คุ้นสภาพแวดล้อมนี้ อาการเหล่านี้ก็จะหายไป อย่างไรก็ดี มีกลุ่มคนอีกจำนวนมากที่อาศัยในพื้นที่สูงมาหลายชั่วรุ่น และมีการปรับตัวทางวิวัฒนาการ สรีรวิทยา และพันธุกรรมแตกต่างออกไป และเหมาะต่อการเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเบาบาง

ถึงครูผู้สอน

   จากตัวอย่างเรื่องข้างต้น ผู้สอนสามารถนำไปประกอบการสอนเรื่องการหายใจของมนุษย์ได้ ทั้งนี้ผู้เขียนมีความเห็นว่า ในการสอนเนื้อหาเกี่ยวกับชีววิทยานั้น ผู้สอนควรเปิดโอกาสให้ผู้เรียนได้สร้างองค์ความรู้โดยเชื่อมโยงกับสถานการณ์ในชีวิตจริง เพื่อให้ผู้เรียนสามารถนำความรู้ไปประยุกต์ใช้ได้ต่อไป ควบคู่กับการใช้คำถามเพื่อกระตุ้นให้ผู้เรียนเกิดความสงสัยและสนใจในเรื่องที่จะเรียน ในการสอนควรให้ผู้เรียนได้เห็นความเชื่อมโยงของเนื้อหาที่เกี่ยวข้อง เช่น ความรู้ทางด้านสรีรวิทยาและพันธุศาสตร์ ที่สำคัญ ผู้เรียนควรได้ลงมือปฏิบัติกิจกรรมต่าง ๆ เพื่อให้เข้าใจเนื้อหาได้ดียิ่งขึ้น เช่น กิจกรรมจำลองการหายใจ นอกจากนี้อาจเปิดโอกาสให้ผู้เรียนได้ศึกษาเพิ่มเติมจากงานวิจัยที่เกี่ยวข้องเพื่อฝึกวิเคราะห์ข้อมูล และพัฒนาทักษะด้านการสื่อสารทางวิทยาศาสตร์

บรรณานุกรม

Altitude sickness. (2020). Retrieved April 2, 2021, from https://www.nhs.uk/conditions/altitude-sickness/.

Beall CM. (2006). Andean, Tibetan, and Ethiopian patterns of adaptation to high-altitude hypoxia. Integrative and ComparativeBiology. 46(1): 18–24. doi:10.1093/icb/icj004.

High-altitude adaptation in humans. (2020). In Wikipedia. Retrieved April 2, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Highaltitude_adaptation_in_humans.

Simonson, T., et al. (2010). Genetic evidence for high-altitude adaptation in Tibet. Science. 329(5987): 72-75.

Yi, X., et al. (2010). Sequencing of 50 human exomes reveals adaptation to high altitude. Science. 329(5987): 75-78.

Widmaier, Eric P. & Raff, Hershel & Strang, Kevin T. (2008). Vander's human physiology: the mechanisms of body function.Boston: McGraw-Hill Higher Education.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติม ชีววิทยา เล่ม 3 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. พิมพ์ครั้งที่ 2. กรุงเทพมหานคร: โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว.