Kedokteran

Buku Bahasa Indonesia Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology 38-45

By Miswanto 09 Jun 2026 4343 dibaca 0 komentar

UNIT VIII

Fisiologi Penerbangan, Antariksa, dan Penyelaman Laut Dalam

GARIS BESAR UNIT

44. Fisiologi Penerbangan, Ketinggian Tinggi, dan Antariksa

45. Fisiologi Penyelaman Laut Dalam dan Kondisi Hiperbarik Lainnya

BAB 44

Fisiologi Penerbangan, Ketinggian Tinggi, dan Antariksa

Seiring manusia mencapai ketinggian yang semakin tinggi dalam penerbangan, pendakian gunung, dan eksplorasi antariksa, pemahaman mengenai efek ketinggian dan tekanan gas yang rendah terhadap tubuh manusia menjadi semakin penting. Bab ini membahas masalah-masalah tersebut serta gaya percepatan, keadaan tanpa bobot, dan tantangan lain terhadap homeostasis tubuh yang terjadi pada ketinggian tinggi dan selama penerbangan antariksa.

EFEK TEKANAN OKSIGEN RENDAH PADA TUBUH

Tabel 44-1. Efek Paparan Akut terhadap Tekanan Atmosfer Rendah pada Konsentrasi Gas Alveolar dan Saturasi Oksigen Arteri?

Ketinggian (ft/m)	Tekanan Barometrik (mmHg)	PO? di Udara (mmHg)	Menghirup Udara PCO? Alveolar (mmHg)	Menghirup Udara PO? Alveolar (mmHg)	Menghirup Udara Saturasi Oksigen Arteri (%)	Menghirup Oksigen Murni PCO? Alveolar (mmHg)	Menghirup Oksigen Murni PO? Alveolar (mmHg)	Menghirup Oksigen Murni Saturasi Oksigen Arteri (%)
0	760	159	40 (40)	104 (104)	97 (97)	40	673	100
10.000 / 3.048	523	110	36 (23)	67 (77)	90 (92)	40	436	100
20.000 / 6.096	349	73	24 (10)	40 (53)	73 (85)	40	262	100
30.000 / 9.144	226	47	24 (7)	18 (30)	24 (38)	40	139	99
40.000 / 12.192	141	29	—	—	—	36	58	84
50.000 / 15.240	87	18	—	—	—	24	16	15

? Angka dalam tanda kurung menunjukkan nilai pada individu yang telah beraklimatisasi.

Tekanan Barometrik pada Berbagai Ketinggian. Tabel 44-1 mencantumkan perkiraan tekanan barometrik dan tekanan oksigen pada berbagai ketinggian, yang menunjukkan bahwa pada permukaan laut tekanan barometrik adalah 760 mmHg; pada ketinggian 10.000 kaki hanya 523 mmHg; dan pada ketinggian 50.000 kaki hanya 87 mmHg. Penurunan tekanan barometrik ini merupakan penyebab dasar semua masalah hipoksia dalam fisiologi ketinggian tinggi, karena ketika tekanan barometrik menurun, tekanan parsial oksigen atmosfer (PO?) juga menurun secara proporsional, dan selalu sedikit kurang dari 21% tekanan barometrik total; pada permukaan laut, PO? sekitar 159 mmHg, tetapi pada ketinggian 50.000 kaki, PO? hanya 18 mmHg.

PO? ALVEOLAR PADA BERBAGAI KETINGGIAN

Karbon Dioksida dan Uap Air Menurunkan Oksigen Alveolar. Bahkan pada ketinggian tinggi, karbon dioksida (CO?) terus-menerus diekskresikan dari darah pulmonal ke dalam alveoli. Selain itu, uap air masuk ke udara inspirasi melalui penguapan dari permukaan saluran pernapasan. Kedua gas ini mengencerkan O? di dalam alveoli sehingga menurunkan konsentrasi O?. Tekanan uap air di alveoli tetap sebesar 47 mmHg selama suhu tubuh normal, tanpa memandang ketinggian.

Dalam kasus CO?, selama paparan pada ketinggian yang sangat tinggi, tekanan parsial alveolar CO? (PCO?) menurun dari nilai permukaan laut sebesar 40 mmHg menjadi nilai yang lebih rendah. Pada individu yang telah beraklimatisasi, yang meningkatkan ventilasi sekitar lima kali lipat, PCO? turun menjadi sekitar 7 mmHg karena peningkatan respirasi.

Sekarang mari kita lihat bagaimana tekanan kedua gas ini memengaruhi O? alveolar. Sebagai contoh, anggap tekanan barometrik turun dari nilai normal permukaan laut sebesar 760 menjadi 253 mmHg, yang merupakan nilai yang biasa diukur di puncak Gunung Everest setinggi 29.028 kaki. Dari jumlah tersebut, 47 mmHg harus berupa uap air, sehingga hanya tersisa 206 mmHg untuk semua gas lainnya. Pada individu yang telah beraklimatisasi, 7 mmHg dari 206 mmHg tersebut harus berupa CO?, sehingga hanya tersisa 199 mmHg. Jika tidak ada penggunaan O? oleh tubuh, seperlima dari 199 mmHg ini akan berupa O? dan empat perlima berupa nitrogen, yaitu PO? dalam alveoli akan menjadi 40 mmHg.

Namun, sebagian dari O? alveolar yang tersisa ini terus-menerus diserap ke dalam darah, sehingga tekanan O? di alveoli hanya sekitar 35 mmHg. Di puncak Gunung Everest, hanya individu yang beraklimatisasi paling baik yang dapat bertahan hidup dengan susah payah saat menghirup udara biasa. Namun, efeknya sangat berbeda ketika seseorang menghirup O? murni, sebagaimana akan dibahas berikut ini.

PO? Alveolar pada Berbagai Ketinggian. Kolom kelima Tabel 44-1 menunjukkan nilai perkiraan PO? dalam alveoli pada berbagai ketinggian saat seseorang menghirup udara, baik pada individu yang belum beraklimatisasi maupun yang telah beraklimatisasi. Pada permukaan laut, PO? alveolar adalah 104 mmHg. Pada ketinggian 20.000 kaki, nilainya turun menjadi sekitar 40 mmHg pada individu yang belum beraklimatisasi, tetapi hanya menjadi 53 mmHg pada individu yang telah beraklimatisasi. Alasan perbedaan antara keduanya adalah bahwa ventilasi alveolar meningkat jauh lebih besar pada individu yang telah beraklimatisasi dibandingkan pada individu yang belum beraklimatisasi, sebagaimana akan dibahas kemudian.

Saturasi Hemoglobin oleh Oksigen pada Berbagai Ketinggian. Gambar 44-1 menunjukkan saturasi O? darah arteri pada berbagai ketinggian saat seseorang menghirup udara dan saat menghirup O?. Hingga ketinggian sekitar 10.000 kaki, bahkan ketika menghirup udara biasa, saturasi O? arteri tetap setidaknya 90%. Di atas 10.000 kaki, saturasi O? arteri menurun dengan cepat, sebagaimana ditunjukkan oleh kurva biru pada gambar, hingga sedikit di bawah 70% pada ketinggian 20.000 kaki dan jauh lebih rendah pada ketinggian yang lebih tinggi lagi.

EFEK MENGHIRUP OKSIGEN MURNI TERHADAP PO? ALVEOLAR PADA BERBAGAI KETINGGIAN

Ketika seseorang menghirup O? murni alih-alih udara, sebagian besar ruang dalam alveoli yang sebelumnya ditempati oleh nitrogen menjadi ditempati oleh O?. Pada ketinggian 30.000 kaki, seorang penerbang dapat memiliki PO? alveolar setinggi 139 mmHg dibandingkan hanya 18 mmHg saat menghirup udara biasa (lihat Tabel 44-1).

Kurva merah pada Gambar 44-1 menunjukkan saturasi O? hemoglobin darah arteri pada berbagai ketinggian ketika seseorang menghirup O? murni. Perhatikan bahwa saturasi tetap di atas 90% hingga penerbang mencapai ketinggian sekitar 39.000 kaki; setelah itu saturasi menurun dengan cepat menjadi sekitar 50% pada ketinggian sekitar 47.000 kaki.

“Batas Maksimum” Saat Menghirup Udara dan Saat Menghirup Oksigen di Pesawat Tanpa Tekanan Kabin. Jika membandingkan kedua kurva saturasi O? darah arteri pada Gambar 44-1, terlihat bahwa seorang penerbang yang menghirup O? murni di pesawat tanpa tekanan kabin dapat mencapai ketinggian yang jauh lebih tinggi dibandingkan penerbang yang menghirup udara biasa. Sebagai contoh, saturasi arteri pada ketinggian 47.000 kaki saat menghirup O? sekitar 50%, yang setara dengan saturasi O? arteri pada ketinggian 23.000 kaki saat menghirup udara biasa. Selain itu, karena individu yang belum beraklimatisasi biasanya dapat tetap sadar hingga saturasi O? arteri turun menjadi 50%, maka batas maksimum bagi penerbang untuk paparan jangka pendek di pesawat tanpa tekanan kabin adalah sekitar 23.000 kaki saat menghirup udara biasa dan sekitar 47.000 kaki saat menghirup O? murni, asalkan peralatan pemasok O? berfungsi dengan sempurna.

EFEK AKUT HIPOKSIA

Beberapa efek akut penting dari hipoksia pada individu yang belum beraklimatisasi dan menghirup udara biasa, dimulai pada ketinggian sekitar 12.000 kaki, adalah mengantuk, lesu, kelelahan mental dan otot, kadang-kadang sakit kepala, sesekali mual, dan terkadang euforia. Efek-efek ini berkembang menjadi tahap kedutan atau kejang pada ketinggian di atas 18.000 kaki dan, pada individu yang belum beraklimatisasi, di atas 23.000 kaki berakhir dengan koma, yang segera diikuti oleh kematian.

Salah satu efek terpenting dari hipoksia adalah penurunan kemampuan mental, yang menurunkan penilaian, daya ingat, dan kemampuan melakukan gerakan motorik yang presisi. Sebagai contoh, jika seorang penerbang yang belum beraklimatisasi berada pada ketinggian 15.000 kaki selama 1 jam, kemampuan mentalnya biasanya menurun hingga sekitar 50% dari normal dan setelah 18 jam pada ketinggian tersebut, menurun hingga sekitar 20% dari normal.

AKLIMATISASI TERHADAP PO? RENDAH

Seseorang yang tinggal pada ketinggian tinggi selama beberapa hari, minggu, atau tahun akan menjadi semakin beraklimatisasi terhadap PO? yang rendah sehingga kondisi tersebut menimbulkan efek merugikan yang lebih sedikit terhadap tubuh. Setelah aklimatisasi, seseorang dapat bekerja lebih berat tanpa mengalami efek hipoksia atau dapat naik ke ketinggian yang lebih tinggi lagi.

Mekanisme utama terjadinya aklimatisasi adalah sebagai berikut: (1) peningkatan besar ventilasi pulmonal; (2) peningkatan jumlah sel darah merah; (3) peningkatan kapasitas difusi paru; (4) peningkatan vaskularisasi jaringan perifer; dan (5) peningkatan kemampuan sel jaringan untuk menggunakan O? meskipun PO? rendah.

Peningkatan Ventilasi Pulmonal: Peran Kemoreseptor Arteri. Paparan segera terhadap PO? rendah merangsang kemoreseptor arteri, dan rangsangan ini meningkatkan ventilasi alveolar hingga maksimum sekitar 1,65 kali normal. Oleh karena itu, kompensasi terhadap ketinggian tinggi terjadi dalam hitungan detik, dan hal ini saja memungkinkan seseorang naik beberapa ribu kaki lebih tinggi dibandingkan jika tidak terjadi peningkatan ventilasi. Jika seseorang tetap berada pada ketinggian yang sangat tinggi selama beberapa hari, kemoreseptor akan meningkatkan ventilasi lebih lanjut hingga sekitar lima kali normal.

Peningkatan ventilasi pulmonal yang terjadi segera setelah naik ke ketinggian tinggi mengeluarkan sejumlah besar CO?, sehingga menurunkan PCO? dan meningkatkan pH cairan tubuh. Perubahan-perubahan ini menghambat pusat respirasi batang otak dan dengan demikian menentang efek PO? rendah yang merangsang respirasi melalui kemoreseptor arteri perifer di badan karotis dan badan aorta. Namun, hambatan ini berangsur-angsur menghilang selama 2 hingga 5 hari berikutnya, sehingga pusat respirasi dapat merespons secara penuh terhadap rangsangan kemoreseptor perifer akibat hipoksia, dan ventilasi meningkat hingga sekitar lima kali normal.

Penyebab menghilangnya hambatan ini diyakini terutama karena penurunan konsentrasi ion bikarbonat dalam cairan serebrospinal serta dalam jaringan otak. Penurunan ini pada gilirannya menurunkan pH cairan yang mengelilingi neuron kemoreseptif pada pusat respirasi, sehingga meningkatkan aktivitas stimulasi respirasi dari pusat tersebut.

Mekanisme penting yang menyebabkan penurunan bertahap konsentrasi bikarbonat adalah kompensasi oleh ginjal terhadap alkalosis respiratorik, sebagaimana dibahas pada Bab 31. Ginjal merespons penurunan PCO? dengan mengurangi sekresi ion hidrogen dan meningkatkan ekskresi bikarbonat. Kompensasi metabolik terhadap alkalosis respiratorik ini secara bertahap menurunkan konsentrasi bikarbonat plasma dan cairan serebrospinal serta mengembalikan pH ke arah normal, sekaligus menghilangkan sebagian efek penghambatan terhadap respirasi yang disebabkan oleh rendahnya konsentrasi ion hidrogen. Dengan demikian, pusat respirasi menjadi jauh lebih responsif terhadap rangsangan kemoreseptor perifer yang disebabkan oleh hipoksia setelah ginjal mengompensasi alkalosis tersebut.

Peningkatan Jumlah Sel Darah Merah dan Konsentrasi Hemoglobin Selama Aklimatisasi. Seperti dibahas pada Bab 33, hipoksia merupakan stimulus utama untuk meningkatkan produksi sel darah merah. Biasanya, ketika seseorang tetap terpapar kadar O? yang rendah selama beberapa minggu, hematokrit meningkat secara perlahan dari nilai normal 40% hingga 45% menjadi rata-rata sekitar 60%, dengan peningkatan rata-rata konsentrasi hemoglobin darah utuh dari nilai normal 15 g/dL menjadi sekitar 20 g/dL.

Selain itu, volume darah juga meningkat, sering kali sebesar 20% hingga 30%, dan peningkatan ini, dikalikan dengan peningkatan konsentrasi hemoglobin darah, menghasilkan peningkatan hemoglobin total tubuh sebesar 50% atau lebih.

Peningkatan Kapasitas Difusi Setelah Aklimatisasi. Kapasitas difusi normal untuk O? melalui membran pulmonal adalah sekitar 21 mL/mmHg per menit, dan kapasitas difusi ini dapat meningkat hingga tiga kali lipat selama olahraga. Peningkatan kapasitas difusi yang serupa juga terjadi pada ketinggian tinggi.

Sebagian dari peningkatan ini disebabkan oleh peningkatan volume darah kapiler pulmonal, yang melebarkan kapiler dan meningkatkan luas permukaan tempat O? dapat berdifusi ke dalam darah. Sebagian lainnya disebabkan oleh peningkatan volume udara paru, yang semakin memperluas area permukaan antarmuka alveolus-kapiler. Bagian terakhir disebabkan oleh peningkatan tekanan darah arteri pulmonalis, yang mendorong darah masuk ke lebih banyak kapiler alveolar dibandingkan normal, terutama di bagian atas paru yang biasanya mendapat perfusi yang kurang baik.

Perubahan Sistem Sirkulasi Perifer Selama Aklimatisasi: Peningkatan Kapilaritas Jaringan. Curah jantung sering meningkat hingga 30% segera setelah seseorang naik ke ketinggian tinggi, tetapi kemudian menurun kembali mendekati normal selama beberapa minggu seiring meningkatnya hematokrit darah, sehingga jumlah O? yang diangkut ke jaringan perifer tubuh tetap mendekati normal.

Adaptasi sirkulasi lainnya adalah pertumbuhan jumlah kapiler yang lebih banyak dalam sirkulasi sistemik jaringan nonpulmonal, yang disebut angiogenesis. Adaptasi ini terutama terjadi pada hewan yang lahir dan dibesarkan di dataran tinggi, tetapi lebih sedikit pada hewan yang baru terpapar ketinggian tinggi pada masa kehidupan selanjutnya.

Pada jaringan aktif yang terpapar hipoksia kronis, peningkatan kapilaritas sangat nyata. Sebagai contoh, densitas kapiler pada otot ventrikel kanan meningkat secara nyata karena efek gabungan hipoksia dan beban kerja berlebih pada ventrikel kanan yang disebabkan oleh hipertensi pulmonal di dataran tinggi.

Aklimatisasi Seluler. Pada hewan yang berasal dari ketinggian 13.000 hingga 17.000 kaki, mitokondria sel dan sistem enzim oksidatif seluler sedikit lebih banyak dibandingkan pada penghuni permukaan laut. Oleh karena itu, diasumsikan bahwa sel-sel jaringan manusia yang telah beraklimatisasi terhadap ketinggian tinggi juga dapat menggunakan O? dengan lebih efektif dibandingkan dengan individu yang hidup di permukaan laut.

FAKTOR YANG DIINDUKSI HIPOKSIA (HYPOXIA-INDUCIBLE FACTORS): “SAKLAR UTAMA” RESPONS TUBUH TERHADAP HIPOKSIA

Faktor yang diinduksi hipoksia (hypoxia-inducible factors, HIF) adalah faktor transkripsi pengikat DNA yang merespons penurunan ketersediaan oksigen dan mengaktifkan berbagai gen yang mengode protein yang diperlukan untuk penghantaran oksigen yang adekuat ke jaringan dan metabolisme energi. HIF ditemukan pada hampir semua spesies yang bernapas menggunakan oksigen, mulai dari cacing primitif hingga manusia. Beberapa gen yang dikendalikan oleh HIF, terutama HIF-1, meliputi:

• Gen yang berhubungan dengan vascular endothelial growth factor, yang merangsang angiogenesis

• Gen eritropoietin yang merangsang produksi sel darah merah

• Gen mitokondria yang berperan dalam penggunaan energi

• Gen enzim glikolitik yang berperan dalam metabolisme anaerob

• Gen yang meningkatkan ketersediaan nitric oxide, yang menyebabkan vasodilatasi pulmonal

Dengan adanya oksigen yang cukup, subunit HIF yang diperlukan untuk mengaktifkan berbagai gen mengalami penurunan regulasi dan diinaktivasi oleh hidroksilase HIF spesifik. Pada kondisi hipoksia, hidroksilase HIF itu sendiri menjadi tidak aktif sehingga memungkinkan terbentuknya kompleks HIF yang aktif secara transkripsional. Dengan demikian, HIF berfungsi sebagai “saklar utama” yang memungkinkan tubuh merespons hipoksia secara tepat.

AKLIMATISASI ALAMI PADA PENDUDUK ASLI YANG TINGGAL DI DATARAN TINGGI

Banyak penduduk asli di Pegunungan Andes dan Himalaya hidup pada ketinggian di atas 13.000 kaki. Salah satu kelompok di Andes Peru hidup pada ketinggian 17.500 kaki dan bekerja di tambang pada ketinggian 19.000 kaki. Banyak dari penduduk asli ini lahir di ketinggian tersebut dan tinggal di sana sepanjang hidup mereka. Mereka lebih unggul dibandingkan penduduk dataran rendah yang telah beraklimatisasi sebaik apa pun dalam semua aspek aklimatisasi, meskipun penduduk dataran rendah tersebut mungkin telah tinggal di dataran tinggi selama 10 tahun atau lebih.

Aklimatisasi pada penduduk asli dimulai sejak masa bayi. Ukuran dada, khususnya, meningkat sangat besar, sedangkan ukuran tubuh agak lebih kecil, sehingga menghasilkan rasio kapasitas ventilasi terhadap massa tubuh yang tinggi. Jantung penduduk asli, yang sejak lahir harus memompa curah jantung tambahan, juga jauh lebih besar dibandingkan jantung penduduk dataran rendah.

Penghantaran O? oleh darah ke jaringan juga sangat dipermudah pada penduduk asli ini. Sebagai contoh, Gambar 44-2 menunjukkan kurva disosiasi O?-hemoglobin untuk penduduk asli yang tinggal di permukaan laut dan rekan mereka yang tinggal pada ketinggian 15.000 kaki. Perhatikan bahwa PO? arteri pada penduduk asli di dataran tinggi hanya 40 mmHg, tetapi karena jumlah hemoglobin yang lebih besar, jumlah O? dalam darah arteri mereka lebih tinggi daripada jumlah O? dalam darah penduduk asli yang tinggal di ketinggian lebih rendah.

Perhatikan juga bahwa PO? vena pada penduduk asli dataran tinggi hanya 15 mmHg lebih rendah dibandingkan PO? vena pada penduduk dataran rendah, meskipun PO? arteri sangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa transport O? ke jaringan sangat efektif pada penduduk asli dataran tinggi yang telah beraklimatisasi secara alami.

PENURUNAN KAPASITAS KERJA DI DATARAN TINGGI DAN EFEK POSITIF AKLIMATISASI

Selain depresi mental yang disebabkan oleh hipoksia, kapasitas kerja semua otot, baik otot jantung maupun otot rangka, sangat menurun dalam keadaan hipoksia. Secara umum, kapasitas kerja berkurang sebanding dengan penurunan laju maksimum pengambilan O? yang dapat dicapai tubuh.

Untuk memberikan gambaran mengenai pentingnya aklimatisasi dalam meningkatkan kapasitas kerja, perhatikan perbedaan besar kapasitas kerja sebagai persentase dari normal antara individu yang belum beraklimatisasi dan yang telah beraklimatisasi pada ketinggian 17.000 kaki, seperti ditunjukkan pada Tabel 44-2. Dengan demikian, penduduk asli yang beraklimatisasi secara alami dapat mencapai hasil kerja harian pada ketinggian tinggi yang hampir sama dengan penduduk dataran rendah di permukaan laut, tetapi bahkan penduduk dataran rendah yang telah beraklimatisasi dengan baik hampir tidak pernah dapat mencapai hasil tersebut.

PENYAKIT GUNUNG AKUT DAN EDEMA PARU DATARAN TINGGI

Sebagian kecil orang yang naik dengan cepat ke dataran tinggi mengalami penyakit akut dan dapat meninggal jika tidak diberi O? atau segera dipindahkan ke ketinggian yang lebih rendah. Penyakit ini mulai muncul dalam beberapa jam hingga sekitar 2 hari setelah pendakian. Dua kejadian yang sering terjadi adalah:

1. Edema serebral akut. Edema ini diyakini terjadi akibat vasodilatasi lokal pembuluh darah serebral yang disebabkan oleh hipoksia. Dilatasi arteriola meningkatkan aliran darah ke kapiler sehingga meningkatkan tekanan kapiler, yang pada gilirannya menyebabkan cairan bocor ke jaringan serebral. Faktor kimia seperti vascular endothelial growth factor dan sitokin inflamasi juga dapat berkontribusi terhadap edema dengan meningkatkan permeabilitas sel endotel. Edema serebral kemudian dapat menyebabkan disorientasi berat dan efek lain yang berkaitan dengan disfungsi serebral.

2. Edema paru akut. Penyebab edema paru akut masih belum pasti, tetapi dapat dijelaskan sebagai berikut. Hipoksia berat menyebabkan konstriksi kuat arteriola pulmonal, tetapi konstriksi tersebut jauh lebih besar di beberapa bagian paru dibandingkan bagian lainnya, sehingga semakin banyak aliran darah pulmonal dipaksa melewati semakin sedikit pembuluh pulmonal yang masih tidak mengalami konstriksi.

Hasil yang diperkirakan adalah tekanan kapiler di daerah-daerah paru tersebut menjadi sangat tinggi dan terjadi edema lokal. Meluasnya proses ini ke semakin banyak area paru menyebabkan edema paru yang menyebar dan disfungsi paru berat yang dapat berakibat fatal. Memberikan O? untuk dihirup biasanya membalikkan proses ini dalam beberapa jam. Faktor-faktor kimia yang diduga meningkatkan permeabilitas kapiler di otak juga dapat berkontribusi terhadap peningkatan permeabilitas kapiler pulmonal dan edema di paru.

PENYAKIT GUNUNG KRONIS

Kadang-kadang, seseorang yang tinggal terlalu lama di dataran tinggi mengalami penyakit gunung kronis, yang ditandai oleh efek-efek berikut:

Massa sel darah merah dan hematokrit menjadi sangat tinggi.
Tekanan arteri pulmonalis meningkat bahkan lebih tinggi daripada peningkatan normal yang terjadi selama aklimatisasi.
Sisi kanan jantung membesar secara nyata.
Tekanan arteri perifer mulai menurun.
Terjadi gagal jantung kongestif.
Kematian sering terjadi kecuali orang tersebut dipindahkan ke ketinggian yang lebih rendah.

Kemungkinan terdapat tiga penyebab utama rangkaian kejadian ini:

Massa sel darah merah menjadi sangat besar sehingga viskositas darah meningkat beberapa kali lipat. Peningkatan viskositas ini cenderung menurunkan aliran darah jaringan sehingga penghantaran O? juga mulai menurun.
Arteriola pulmonal mengalami vasokonstriksi akibat hipoksia paru. Vasokonstriksi ini merupakan akibat dari efek konstriksi vaskular akibat hipoksia yang secara normal berfungsi mengalihkan aliran darah dari alveoli dengan O? rendah ke alveoli dengan O? tinggi, sebagaimana dijelaskan pada Bab 39. Namun, karena semua alveoli sekarang berada dalam keadaan O? rendah, semua arteriola mengalami konstriksi, tekanan arteri pulmonalis meningkat secara berlebihan, dan sisi kanan jantung mengalami gagal jantung.
Spasme arteriolar alveolar mengalihkan sebagian besar aliran darah melalui pembuluh pulmonal nonalveolar, sehingga menyebabkan peningkatan aliran darah pintas (shunt) pulmonal di mana darah mengalami oksigenasi yang buruk, yang semakin memperberat masalah. Sebagian besar orang dengan kondisi ini pulih dalam beberapa hari atau minggu setelah dipindahkan ke ketinggian yang lebih rendah.

Efek Gaya Percepatan pada Tubuh dalam Fisiologi Penerbangan dan Antariksa

Karena perubahan cepat kecepatan dan arah gerakan pada pesawat terbang atau wahana antariksa, beberapa jenis gaya percepatan memengaruhi tubuh selama penerbangan. Pada awal penerbangan terjadi percepatan linear sederhana, pada akhir penerbangan terjadi perlambatan, dan setiap kali kendaraan berbelok terjadi percepatan sentrifugal.

Gaya Percepatan Sentrifugal

Ketika sebuah pesawat melakukan belokan, gaya percepatan sentrifugal ditentukan oleh hubungan berikut:

di mana f adalah gaya percepatan sentrifugal, m adalah massa objek, v adalah kecepatan gerak, dan r adalah jari-jari kelengkungan belokan. Dari rumus ini, jelas bahwa ketika kecepatan meningkat, gaya percepatan sentrifugal meningkat sebanding dengan kuadrat kecepatan. Juga jelas bahwa gaya percepatan berbanding lurus dengan ketajaman belokan (semakin kecil jari-jari, semakin besar gaya).

Pengukuran Gaya Percepatan: “G”

Ketika seorang penerbang hanya duduk di kursinya, gaya yang menekannya ke kursi merupakan hasil tarikan gravitasi dan sama dengan berat badannya. Intensitas gaya ini disebut +1 G karena sama dengan tarikan gravitasi. Jika gaya yang menekan orang tersebut ke kursi menjadi lima kali berat normal selama manuver pull-out dari penyelaman, gaya yang bekerja pada kursi adalah +5 G.

Jika pesawat melakukan loop luar sehingga orang tersebut ditahan oleh sabuk pengaman, gaya G negatif diterapkan pada tubuh. Jika gaya yang menahan orang tersebut oleh sabuk pengaman sama dengan berat tubuhnya, gaya negatif tersebut adalah −1 G.

Efek Gaya Percepatan Sentrifugal pada Tubuh (G Positif)

Efek pada Sistem Sirkulasi

Efek terpenting dari percepatan sentrifugal adalah pada sistem sirkulasi karena darah bersifat bergerak dan dapat dipindahkan oleh gaya sentrifugal.

Ketika seorang penerbang mengalami G positif, darah disentrifugasi ke bagian tubuh yang paling bawah. Dengan demikian, jika gaya percepatan sentrifugal adalah +5 G dan orang tersebut berada dalam posisi berdiri yang tidak bergerak, tekanan dalam vena kaki akan meningkat sangat besar (hingga sekitar 450 mmHg). Dalam posisi duduk, tekanan menjadi hampir 300 mmHg. Selain itu, ketika tekanan dalam pembuluh darah bagian bawah tubuh meningkat, pembuluh-pembuluh ini mengalami dilatasi pasif sehingga sebagian besar darah dari bagian atas tubuh berpindah ke pembuluh bagian bawah. Karena jantung tidak dapat memompa kecuali darah kembali kepadanya, semakin banyak darah yang “terkumpul” dengan cara ini di bagian bawah tubuh, semakin sedikit darah yang tersedia untuk curah jantung.

Gambar 44-3 menunjukkan perubahan tekanan arteri sistolik dan diastolik (masing-masing kurva atas dan bawah) di bagian atas tubuh ketika gaya percepatan sentrifugal sebesar +3,3 G tiba-tiba diterapkan pada seseorang yang sedang duduk. Perhatikan bahwa kedua tekanan tersebut turun di bawah 22 mmHg selama beberapa detik pertama setelah percepatan dimulai, tetapi kemudian kembali ke tekanan sistolik sekitar 55 mmHg dan tekanan diastolik sekitar 20 mmHg dalam 10 hingga 15 detik berikutnya. Pemulihan sekunder ini terutama disebabkan oleh aktivasi refleks baroreseptor.

Percepatan yang lebih besar dari 4 hingga 6 G menyebabkan “blackout” penglihatan dalam beberapa detik dan ketidaksadaran segera setelahnya. Jika percepatan sebesar ini terus berlanjut, orang tersebut akan meninggal.

Efek pada Vertebra

Gaya percepatan yang sangat tinggi, bahkan hanya selama sebagian kecil detik, dapat menyebabkan fraktur vertebra. Tingkat percepatan positif yang dapat ditahan oleh rata-rata orang dalam posisi duduk sebelum terjadi fraktur vertebra adalah sekitar 20 G.

G Negatif

Efek G negatif pada tubuh secara akut kurang dramatis, tetapi kemungkinan lebih merusak secara permanen dibandingkan efek G positif. Seorang penerbang biasanya dapat melakukan loop luar hingga gaya percepatan negatif sebesar −4 hingga −5 G tanpa menyebabkan kerusakan permanen, meskipun menimbulkan hiperemia kepala yang hebat untuk sementara waktu. Kadang-kadang terjadi gangguan psikotik yang berlangsung selama 15 hingga 20 menit akibat edema otak.

Kadang-kadang gaya G negatif dapat begitu besar (misalnya, −20 G), dan sentrifugasi darah ke kepala begitu besar sehingga tekanan darah serebral mencapai 300 hingga 400 mmHg, yang kadang-kadang menyebabkan pecahnya pembuluh darah kecil pada permukaan kepala dan di otak. Namun, pembuluh darah di dalam rongga kranium menunjukkan kecenderungan ruptur yang lebih kecil daripada yang diperkirakan karena alasan berikut. Cairan serebrospinal juga disentrifugasi ke arah kepala pada saat yang sama ketika darah disentrifugasi ke pembuluh kranial, dan tekanan cairan serebrospinal yang sangat meningkat bertindak sebagai bantalan penyangga pada bagian luar otak untuk mencegah ruptur vaskular intraserebral.

Karena mata tidak dilindungi oleh kranium, hiperemia berat terjadi pada mata selama G negatif yang kuat. Akibatnya, mata sering mengalami kebutaan sementara yang disebut redout.

Perlindungan Tubuh terhadap Gaya Percepatan Sentrifugal

Berbagai prosedur dan peralatan khusus telah dikembangkan untuk melindungi penerbang dari kolaps sirkulasi yang dapat terjadi selama G positif. Pertama, jika penerbang mengencangkan otot abdomen secara maksimal dan membungkuk ke depan untuk menekan abdomen, sebagian pengumpulan darah dalam pembuluh besar abdomen dapat dicegah sehingga memperlambat timbulnya blackout. Selain itu, pakaian khusus “anti-G” telah dikembangkan untuk mencegah pengumpulan darah di abdomen bawah dan tungkai. Bentuk yang paling sederhana memberikan tekanan positif pada tungkai dan abdomen melalui pengembangan kantong kompresi seiring meningkatnya gaya G.

Secara teoritis, pilot yang terendam dalam tangki atau pakaian berisi air mungkin hanya mengalami sedikit efek gaya G pada sirkulasi karena tekanan yang terbentuk dalam air yang menekan bagian luar tubuh selama percepatan sentrifugal hampir tepat menyeimbangkan gaya yang bekerja di dalam tubuh. Namun, adanya udara di paru masih memungkinkan perpindahan jantung, jaringan paru, dan diafragma ke posisi yang sangat abnormal meskipun tubuh terendam air. Oleh karena itu, bahkan jika prosedur ini digunakan, batas keamanannya hampir pasti tetap kurang dari 10 G.

Efek Gaya Percepatan Linear pada Tubuh

Gaya Percepatan dalam Perjalanan Antariksa

Berbeda dengan pesawat terbang, wahana antariksa tidak dapat melakukan belokan tajam dengan cepat, sehingga percepatan sentrifugal hanya sedikit penting kecuali ketika wahana mengalami putaran abnormal. Namun, percepatan saat peluncuran dan perlambatan saat pendaratan dapat sangat besar; keduanya merupakan bentuk percepatan linear, yang satu bersifat positif dan yang lain negatif.

Gambar 44-4 menunjukkan profil perkiraan percepatan selama peluncuran pada wahana antariksa tiga tahap, yang memperlihatkan bahwa pendorong tahap pertama menghasilkan percepatan hingga 9 G dan pendorong tahap kedua hingga 8 G.

Dalam posisi berdiri, tubuh manusia tidak dapat menahan percepatan sebesar ini, tetapi dalam posisi setengah berbaring yang melintang terhadap sumbu percepatan, percepatan sebesar ini dapat ditoleransi dengan mudah, meskipun gaya percepatan berlangsung selama beberapa menit. Oleh karena itu, alasan penggunaan kursi berbaring pada astronaut menjadi jelas.

Masalah juga terjadi selama perlambatan ketika wahana antariksa memasuki kembali atmosfer. Seseorang yang bergerak dengan kecepatan Mach 1 (kecepatan suara dan pesawat cepat) dapat diperlambat dengan aman dalam jarak sekitar 0,12 mil, sedangkan seseorang yang bergerak dengan kecepatan Mach 100 (kecepatan yang mungkin terjadi dalam perjalanan antariksa antarplanet) memerlukan jarak sekitar 10.000 mil untuk perlambatan yang aman. Alasan utama perbedaan ini adalah bahwa jumlah energi total yang harus dihilangkan selama perlambatan sebanding dengan kuadrat kecepatan, yang sendiri meningkatkan jarak perlambatan yang diperlukan antara Mach 1 dan Mach 100 sekitar 10.000 kali lipat. Oleh karena itu, perlambatan harus dilakukan jauh lebih lambat dari kecepatan tinggi dibandingkan dari kecepatan yang lebih rendah.

Gaya Perlambatan yang Berhubungan dengan Lompatan Parasut

Ketika seorang penerbang penerjun payung meninggalkan pesawat, kecepatan jatuh mula-mula tepat 0 kaki/detik. Namun, karena gaya percepatan gravitasi, dalam 1 detik kecepatan jatuh menjadi 32 kaki/detik (jika tidak ada hambatan udara), dalam 2 detik menjadi 64 kaki/detik, dan seterusnya. Ketika kecepatan jatuh meningkat, hambatan udara yang cenderung memperlambat jatuh juga meningkat. Akhirnya, gaya perlambatan akibat hambatan udara tepat menyeimbangkan gaya percepatan gravitasi sehingga setelah jatuh sekitar 12 detik, orang tersebut akan mencapai kecepatan terminal sebesar 109 hingga 119 mil/jam (175 kaki/detik).

Jika penerjun sudah mencapai kecepatan terminal sebelum membuka parasut, dapat terjadi “beban kejut pembukaan” hingga 1.200 pon pada tali parasut.

Parasut berukuran biasa memperlambat kecepatan jatuh penerjun hingga sekitar sepersembilan kecepatan terminal. Dengan kata lain, kecepatan saat mendarat sekitar 20 kaki/detik, dan gaya benturan terhadap tanah menjadi 1/81 dari gaya benturan tanpa parasut. Meski demikian, gaya benturan tersebut masih cukup besar untuk menyebabkan kerusakan tubuh yang cukup berat kecuali penerjun telah terlatih dengan baik dalam teknik pendaratan. Sebenarnya, gaya benturan terhadap tanah kira-kira sama dengan yang dialami seseorang yang melompat tanpa parasut dari ketinggian sekitar 6 kaki.

Jika tidak diperingatkan sebelumnya, penerjun akan tertipu oleh indra mereka sehingga menyentuh tanah dengan tungkai yang teregang, dan posisi ini saat mendarat akan menghasilkan gaya perlambatan yang sangat besar sepanjang sumbu rangka tubuh, yang dapat menyebabkan fraktur pelvis, vertebra, atau tungkai. Oleh karena itu, penerjun yang terlatih menyentuh tanah dengan lutut tertekuk tetapi otot tetap tegang untuk meredam benturan pendaratan.

“Iklim Buatan” dalam Wahana Antariksa Tertutup

Karena tidak ada atmosfer di ruang angkasa, atmosfer dan iklim buatan harus diciptakan di dalam wahana antariksa.

Yang paling penting, konsentrasi O? harus tetap cukup tinggi dan konsentrasi CO? cukup rendah untuk mencegah asfiksia. Dalam beberapa misi antariksa awal, digunakan atmosfer kapsul yang mengandung O? murni dengan tekanan sekitar 260 mmHg, tetapi dalam perjalanan antariksa modern digunakan campuran gas yang hampir sama dengan udara normal, dengan nitrogen empat kali lebih banyak daripada O? dan tekanan total 760 mmHg.

Keberadaan nitrogen dalam campuran tersebut sangat mengurangi kemungkinan kebakaran dan ledakan. Nitrogen juga melindungi terhadap perkembangan area lokal atelektasis paru yang sering terjadi saat menghirup O? murni karena O? diserap dengan cepat ketika bronkus kecil sementara tersumbat oleh sumbatan mukus.

Untuk perjalanan antariksa yang berlangsung lebih dari beberapa bulan, membawa persediaan O? yang memadai menjadi tidak praktis. Oleh karena itu, telah diusulkan berbagai teknik daur ulang untuk menggunakan O? yang sama berulang kali. Beberapa proses daur ulang bergantung pada prosedur fisik murni, seperti elektrolisis air untuk melepaskan O?. Yang lain bergantung pada metode biologis, seperti penggunaan alga dengan cadangan klorofil yang besar untuk melepaskan O? dari CO? melalui proses fotosintesis. Hingga saat ini, sistem daur ulang yang sepenuhnya memuaskan belum berhasil dicapai.

Keadaan Tanpa Bobot (Mikrogravitasi) di Antariksa

Seseorang yang berada di dalam satelit yang mengorbit atau wahana antariksa tanpa tenaga pendorong mengalami keadaan tanpa bobot, atau keadaan dengan gaya G yang mendekati nol, yang kadang disebut mikrogravitasi. Artinya, orang tersebut tidak tertarik ke dasar, sisi, atau atap wahana, melainkan mengapung di dalam ruangannya.

Penyebab keadaan tanpa bobot ini bukan karena gravitasi gagal menarik tubuh, karena gravitasi dari benda langit terdekat tetap bekerja. Namun, gravitasi bekerja pada wahana dan orang tersebut secara bersamaan sehingga keduanya ditarik dengan gaya percepatan yang sama dan ke arah yang sama. Oleh karena itu, orang tersebut tidak tertarik ke dinding tertentu dari wahana antariksa.

Tantangan Fisiologis dari Keadaan Tanpa Bobot (Mikrogravitasi)

Tantangan fisiologis dari keadaan tanpa bobot tidak terbukti terlalu bermakna selama periode tanpa bobot tidak terlalu lama. Sebagian besar masalah yang terjadi berkaitan dengan tiga efek dari keadaan tanpa bobot tersebut: (1) mabuk gerak selama beberapa hari pertama perjalanan; (2) perpindahan cairan di dalam tubuh karena tidak adanya gravitasi yang menyebabkan tekanan hidrostatik normal; dan (3) berkurangnya aktivitas fisik karena tidak diperlukan kontraksi otot untuk melawan gaya gravitasi.

Hampir 50% astronaut mengalami mabuk gerak, disertai mual dan kadang muntah, selama 2 hingga 5 hari pertama perjalanan antariksa. Mabuk gerak ini kemungkinan disebabkan oleh pola sinyal gerakan yang tidak dikenal yang mencapai pusat keseimbangan di otak dan pada saat yang sama tidak adanya sinyal gravitasi.

Efek yang diamati selama tinggal lama di ruang angkasa adalah sebagai berikut: (1) penurunan volume darah; (2) penurunan massa sel darah merah; (3) penurunan kekuatan otot dan kapasitas kerja; (4) penurunan curah jantung maksimum; dan (5) kehilangan kalsium dan fosfat dari tulang serta penurunan massa tulang. Sebagian besar efek yang sama juga terjadi pada orang yang berbaring di tempat tidur untuk waktu lama. Oleh karena itu, program latihan dilakukan oleh astronaut selama misi antariksa yang berkepanjangan.

Pada ekspedisi laboratorium antariksa sebelumnya, ketika program latihan kurang intensif, astronaut mengalami penurunan kapasitas kerja yang berat selama beberapa hari pertama setelah kembali ke Bumi. Mereka juga cenderung mengalami sinkop (dan sampai sekarang masih terjadi sampai batas tertentu) ketika berdiri pada hari pertama atau sekitar itu setelah kembali ke gravitasi karena berkurangnya volume darah dan menurunnya respons mekanisme pengendalian tekanan arteri.

“Dekondisioning” Kardiovaskular, Otot, dan Tulang Selama Paparan Berkepanjangan terhadap Keadaan Tanpa Bobot

Selama penerbangan antariksa yang sangat lama dan paparan berkepanjangan terhadap mikrogravitasi, terjadi efek “dekondisioning” bertahap pada sistem kardiovaskular, otot rangka, dan tulang, meskipun dilakukan latihan yang intensif selama penerbangan.

Penelitian pada astronaut yang menjalani penerbangan antariksa selama beberapa bulan menunjukkan bahwa mereka dapat kehilangan hingga 1,0% massa tulang setiap bulan meskipun tetap berolahraga. Atrofi yang bermakna pada otot jantung dan otot rangka juga terjadi selama paparan berkepanjangan terhadap lingkungan mikrogravitasi.

Salah satu efek yang paling serius adalah “dekondisioning” kardiovaskular, yang mencakup penurunan kapasitas kerja, berkurangnya volume darah, gangguan refleks baroreseptor, dan penurunan toleransi ortostatik. Perubahan-perubahan ini sangat membatasi kemampuan astronaut untuk berdiri tegak atau melakukan aktivitas harian normal setelah kembali ke gaya gravitasi penuh di Bumi.

Astronaut yang kembali dari penerbangan antariksa selama 4 hingga 6 bulan juga rentan mengalami fraktur tulang dan mungkin memerlukan beberapa minggu sebelum kembali ke kondisi kebugaran kardiovaskular, tulang, dan otot seperti sebelum penerbangan.

Seiring bertambah lamanya durasi penerbangan antariksa sebagai persiapan kemungkinan eksplorasi manusia ke planet lain seperti Mars, efek mikrogravitasi berkepanjangan dapat menjadi ancaman yang sangat serius bagi astronaut setelah mereka mendarat, terutama dalam situasi pendaratan darurat. Oleh karena itu, banyak upaya penelitian diarahkan untuk mengembangkan tindakan penanggulangan selain olahraga yang dapat mencegah atau lebih efektif mengurangi perubahan-perubahan tersebut.

Salah satu tindakan penanggulangan yang sedang diuji adalah penerapan “gravitasi buatan” secara intermiten yang dihasilkan oleh periode singkat (misalnya 1 jam setiap hari) percepatan sentrifugal pada astronaut ketika mereka duduk di dalam sentrifus lengan pendek yang dirancang khusus dan mampu menghasilkan gaya hingga 2 sampai 3 G.