Yüksek İrtifaya Adaptasyon – Samet Tekin
Dağcılık ve yürüyüş aktiviteleri yapan 25 yaşındaki bir erkek birey, ekibiyle beraber hafta sonu bir dağ tırmanışı planı yaptı. İlk gün ekibiyle beraber 1.800 metreye çıktılar ve bu yükseklikte uyudular. Ertesi gün 3.200 metreye çıktılar ve ardından dağcıda yorgunluk ve öksürük belirtileri baş gösterdi. Devamında mide bulantısı, uykusuzluk ve nefes darlığı çekse de üçüncü günde de aşağı inmeyi reddetti. Günün ilerleyen saatlerinde semptomları ağırlaştı ve helikopter vasıtasıyla bir saat uzaklıktaki acil bölümüne taşındı. Hastanede geri dönüşsüz maskeyle oksijen verilen hasta, solunum güçlüğü ve baş ağrısı devam etti.[1]
Söz konusu hastanın belirtileri tipik yüksek irtifa akciğer ödemi belirtileriydi. Hasta yüksek irtifadan dolayı alkaloz ve hipoksiden mustaripti. Deniz seviyesinde yaşamaya adapte olmuş hasta, oksijen kısmi basıncının düşük olduğu 3.200 metreye çıktığı zaman vücudundaki oksijen miktarı azaldı yani hipoksi durumu ortaya çıktı. Atılan CO2 miktarındaki artış da pH’ın yükselmesine ve alkaloza sebep oldu.
Bazı insanlar yüksek irtifaya çıkarken, sözgelimi bir dağcı ekibi, ekipteki bazı bireylerde öksürük ve mide bulantısı görülürken, kimi dağcılarda herhangi bir belirti görülmez. Dünyanın en yüksek dağlarına tırmanan dağcılarda ise kişiden kişiye değişen farklı yüksekliklerde hipoksi ve alkaloz görülür. Bununla beraber, Tibet bölgesinde yaşayan insanlar yaklaşık 4.000 metrenin üzerindeki rakımlarda sorunsuz bir şekilde yaşarlar. Bahsettiğimiz dağcı birey ise yalnızca 3.200 metreye çıktığı zaman yüksek irtifa akciğer ödemine yakalanırken, Tibetli insanlar herhangi bir hastalık göstermeden yaşayabilmektedirler. Peki, Tibetliler bu yüksek irtifaya nasıl uyum sağladılar?
Yüksek İrtifaya Adapte Olan İnsan Popülasyonları
Dünyada başlıca yüksek irtifaya adapte olmuş Etiyopya, And ve Himalaya dağları çevresinde yaşayan insan popülasyonları vardır ve bunların başında en fazla çalışılan ve bilinenlerinden biri Tibetlilerdir. Everest’e ilk kez başarılı olarak Edmund Hillary ve Tenzing Norgay çıktı ve Tenzing Norgay, bir Tibet etnik grubunda olan Sherpa insanıydı. Ayrıca, Everest’e 10 ve 10’dan fazla kez çıkan 36 dağcıdan 28’i Sherpa insanıdır.[2] Sherpa insanı olan Ang Rita, 10’u Everest dağı olmak üzere toplamda 8000 metreden yüksek dağlara 18 kez oksijen tüpü kullanmadan çıkmıştır.[3] Everest’e oksijen tüpü olmadan başarıyla gerçekleştirilen 213 tırmanışın 53’ü de Sherpa insanları tarafından gerçekleştirilmiştir.[4] Elbette bu yerli insanların Everest’e yakın bölgede yaşayıp, diğer yerli olmayan insanlara göre daha fazla tırmanma olanaklarına sahip olması başarı sıklıklarında göz ardı edilemeyecek bir faktördür.
Everest ve ona yakın yüksekliğe sahip Himalaya sıradağlarının diğer dağlarına tırmanılmasının belli başlı ve münferit zorlukları vardır. Öncelikle 8000 metre ve üstünde atmosfer basıncı yaklaşık 284 mmHg’dır. Deniz seviyesinde ise 760 mmHg’dır. Bu düşük basınç, negatif basınç ile solunum yapan insanın solunumu güçleştirecektir. 8000 m üstünde nem oranı da düşüktür ve bu da havadaki oksijenin göreli miktarının daha az olması ve solunan oksijen miktarının da daha az olması anlamına gelir. Düşük hava sıcaklığı ve yüksek hızdaki rüzgarlarda tırmanışları zorlaştıran diğer etmenlerdir.
Yaklaşık 9000 yıl önce Han alt popülasyonuyla ayrışan Tibet yerlilerinin EPAS1 ve EGLN1 genlerindeki mutasyonlar doğal seçilim ile korunmuştur.[5] EPAS1 geni, memelilerde hipoksiye fizyolojik yanıt veren, yalnızca ParaHoxozoa grubundaki hayvanlarda bulunan [6], HIF-2α proteinini kodlar. HIF proteinleri dokularda düşük oksijen durumlarında sinyal iletimleri ile kan damarlarının oluşmasını teşvik eder. Ayrıca yaralanma durumunda oksijen azlığında yine HIF proteinleri keratin doku ve epitel dokunun onarılmasında işlev görür.[7]
Tibetlilerinin hemoglobinlerinin oksijen taşıma kapasitesinin daha fazla olduğu, her solunumda daha fazla nefes aldıkları ve hızlı solunum yaptıkları, daha yüksek akciğer kapasitesine sahip oldukları, serebral kortekslerine kan akışında artan bir devamlılığa sahip olduğu ve böylelikle düşük oksijen koşullarında beyin ödeminin daha az görüldüğü gözlenmiştir.[8]
And Dağları’nın çevresinde yaşayan Aymara insanları da tıpkı Tibetliler gibi yüksek irtifaya uyum sağlamışlardır. Aymara ve Tibet halklarının aralarında en önemli fenotipik fark ise
hemoglobin seviyeleridir.
Yüksek irtifaya uyum sağlamış olan Aymara insanlarının hemoglobin değeri oldukça yüksektir. Bu hipoksi durumuna diğer popülasyonlara göre daha iyi yanıt verebilirler. Tibetlilerin ise diğer fenotipik özellikleri, görece düşük hemoglobin değerlerini tolere edebilmiştir. Adaptasyonları ayrıca daha az alyuvar senteziyle enerjilerini daha iyi muhafaza edebilme yönünde gelişmiş olabilir.
Tibetlilerin deniz seviyesinde yaşayan insanlara göre olan hemoglobin değerlerini karşılaştırdığımızda, Aymara insanları ile olan değerden daha az bir fark olduğu göze çarpar. Tablo 1.1’de rakımları 1000 metre ya da daha altında olan üç farklı ülkenin kadınlarda ortalama hemoglobin değeri verilmiştir. Tibetli kadınların Hemoglobin değeri yaklaşık olarak 2,0 (gm/dl) daha yüksektir. Sonuç olarak Tibet halkının hemoglobin değeri düşük irtifada yaşayan insanlara göre daha yüksek olduğu görülmektedir.
Memelilerde Düşük Oksijen Koşullarına Adaptasyon
Kuzey Amerika’ya endemik olan geyik faresi (Peromyscus maniculatus), geniş yükseklik aralıklarında yaşamaya adapte olmuş bir kemirgendir. Birçok alt türü vardır. Genellikle geceleri ortaya çıkarlar. Vücut uzunlukları yaklaşık 8-10 cm’dir. Omnivor canlılardır; tohumlar, meyveler, yapraklar ve omurgasız canlılarla beslenirler.
Yüksek irtifaya adapte olan geyik faresi popülasyonlarının daha düşük irtifada yaşayan diğer popülasyonlardan farklı olarak, hemoglobinlerin alt polipeptit zincirleri olan α-globin ve β-globin’i kodlayan genlerinde çeşitlilik tespit edilmiştir.[11] Şöyle ki, yüksek irtifada yaşayan grupların daha düşük irtifada yaşayanlara göre hemoglobinlerinin O2 ’e olan ilgilerinin daha yüksek olduğu ve daha düşük Cl iyonları hassasiyetlerinin olduğu belirlenmiştir. [12]
Yaşam alanları yaklaşık olarak 4300 metre yüksekliğe kadar ulaşan geyik faresinin hemoglobinlerinin oksijene olan yüksek ilgileri, oksijenin daha düşük olduğu bu rakımlarda gereken oksijeni temin edebilmelerini sağlar. Netice itibariyle, hemoglobinin alt polipeptit zincirlerini kodlayan genlerin sağladığı bu çeşitlilik, türün geniş dağılımına ve farklı habitatlarda yaşamasına imkân sağlamıştır.
Kuşlarda Düşük Oksijen Koşullarına Adaptasyon
Tıpkı memeliler gibi sıcak kanlı canlılar olan kuşlar, bazı türleri memelilerden farklı olarak yaşam döngüleri süresince çok geniş yükseklik aralıklarında yaşar. Özellikle göçmen kuşlar göç ederken oldukça yüksek irtifaya çıkabilmektedirler. Uçuş yüksekliği açısından hayret verici örneklerden birisi, Fildişi Sahili’nde 11.003 metrede uçan bir uçağın motoruna çarptığı görülen13, göçmen bir tür olan benekli akbabadır (Gyps rueppelli).
Nesli dünya çapında tehlike altında olan benekli akbaba İber Yarımadası’nda ürer ve kışları Orta Afrika’da geçirir. Yuvalarını genellikle uçurum kenarlarında yaparlar.
Ekseriyetle akbabalar oldukça yüksek irtifalarda uçmalarıyla bilinirler. Benekli akbaba 10.000 metre civarında uçarken oldukça düşük kısmi oksijen basıncına maruz kalır. Halbuki bu tür, normal koşullarda beslenirken ve yuvalarken 1.000 metre ve daha aşağı rakımlarda yaşamaktadır.
Tıpkı geyik faresinde olduğu gibi, düşük oksijen koşullarında hayatta kalmayı başaran akbabaların hemoglobin alt zincirlerinde çeşitlilik, yani polimorfizm görülmektedir. Özellikle α- globin alt zincirinin amino asitlerinin yerleşimlerindeki farklılık, kanlarında bulunan hemoglobinlerin oksijene olan ilgisini artırmaktadır.[14] Benzer bulgular kara akbaba (Aegypius monachus) gibi diğer akbaba türlerinde de tespit edilmiştir.[15]
Ayrıca göçmen kuşlar anatomik ve fizyolojik olarak düşük oksijen koşullarına adaptasyonlar geliştirmiştir. Göçmen kuşların difüzyon mesafeleri daha kısadır ve akciğerlerinde gaz alışverişinin olduğu bölgeler daha geniştir. Ayrıca kalpleri görece daha büyüktür ve hemoglobin değerleri daha yüksektir.[16]
Yazar: Samet Tekin
Kaynak: Samet Tekin, Yüksek İrtifaya Adaptasyon, https://www.researchgate.net/publication/375766211_Yuksek_Irtifaya_Adaptasyon , Erişim Tarihi: 19.12.2024
Dipnotlar
1 K.S. Whitlow, B.W. Davis, High altitude pulmonary edema in an experienced mountaineer. possible genetic predisposition, The western journal of emergency medicine, (2014), 15(7), 849-851,
doi:10.5811/westjem.2014.7.22773
2 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Mount_Everest_summiters_by_frequency Erişim Tarihi: 12.05.2023
3 http://www.himalayandatabase.com (version 2.5 with Spring 2022 update)
4 a.g.e
5 H. Hu, N. Petousi, G. Glusman, Y. Yu, R. Bohlender, T. Tashi , et al., Evolutionary history of Tibetans inferred from whole-genome sequencing, PLOS Genetics, (2017), 13(4), http://doi.org/10.1371/journal.pgen.1006675
6 D.B. Miles, W.R. Francis, S. Vargas, et al., The last common ancestor of animals lacked the HIF pathway and respired in low-oxygen enviroments., Elife, (2018), 7, http/doi.org/10.7554/eLife.31176
7 E. Benizri, A. Ginouves, E. Berra, The magic of the hypoxia-signaling cascade, Cell. Mol. Life Sci, (2008), 65, 1133-1148 http://doi.org/10.1007/s00018-008-7472-0
8 L.G. Moore, S. Niermayer, S. Zamudio, Human adaptation to high altitude: Regional and life-cycle perspectives, American Journal of Biological Anthropology, (1998), 107(27), 25-64
9 C.M Beall, G. M. Brittenham, et al, Hemoglobin concentration of high-altitude Tibetans and Bolivian Aymara, American Journal of Biological Anthropology, (1998), 106(3), 385-400
10 D.J. Hruschka, A.M. Williams, Z. Mei, et al, Comparing hemoglobin distributions between population-based surveys matched by country and time. BMC Public Health, (2020), 20, 422 https://doi.org/10.1186/s12889-020- 08537-4
11 J.F. Storz, A.M. Runck, et al, Genetic differences in hemoglobin functions between highland and lowland deer mice, J Exp Biol, (2010), 213(15), 2565-2574
12 a.g.e
13 nationalzoo.si.edu/animals/ruppells-griffon-vulture
14 I. Hiebl, R.E. Weber, et al, High Altitude Respiration of Birds. Structural Adaptations in the Major and Minor Hemoglobin Components of Adult Rüppell’s Griffon (Gyps rueppelli): a New Molecular Pattern for Hypoxic Tolerance, Biological Chemistry, (1988), 369(1), 217-232
15 I. Hiebl, D. Schneeganss, et al, High Altitude Respiration of Birds. The Primary Structures of the Major and Minor Hemoglobin Compenents of Adult European Black Vulture (Aegypius monachus), Biological Chemistry, (1987), 368(1), 11-18
16 P. J. Butler, The Physiological Basis of Bird Flight, Phil. Trans. R. Soc, (2016), 371(1704)