Träna hårt och lugnt för mitokondriernas skull

De flesta levande varelser behöver syre för att överleva. Syre ger våra celler förmågan att bryta ner mat för att få den energi vi behöver för att överleva. Syret finns i luften du andas och vattnet du dricker. Utan syre skulle du inte orka springa särskilt länge. Men syre är också en väldigt reaktiv gas. Syre får skogar att brinna och järn att rosta. I stora mängder är syre dessutom giftigt.

För två miljarder utvecklade cyanobakterier (de där ondskefulla blågröna algerna) fotosyntes och som biprodukt fylldes atmosfären med syre. De anaeroba livsformerna som dittills dominerat livet på jorden förgiftades av syret. Det ledde till ett enormt massutdöende.

En typ av bakterie klarade sig genom att använda syret för att skapa energi. Bakterien frodades i den nya miljön. Vid något tillfälle svaldes en sådan bakterie av en anaerob cell och det gav upphov till en symbios som fortsatt sedan dess. Idag får djur-, växt- och svampceller huvuddelen av sin energi från dessa bakterier, som kallas mitokondrier. I din kropp finns det 100 triljoner mitokondrier.

Den stora fördelen med mitokondrie-bakterier i cellen var inte bara mer energi, utan också bättre kontroll på det reaktiva syret. Mitokondrierna kunde ta in och oxidera en kontrollerad mängd syremolekyler.

När cellens gener aktiverar cellens mitokondrier, aktiverar de samtidigt också cellens antioxidantprogram. Cellen har genom årmiljoner av evolution kalibrerat mängden antioxidanter så att de motsvarar mängden aktiverade mitokondrier. Därmed blir det inga svåra skador på cellen av fria radikaler.

Se upp med tillskott

Det är en känslig balans. Det är kanske därför som antioxidant- och vitamintillskott tycks leda till sämre hälsa.

I ett experiment delade forskarna in försökspersoner i fyra grupper:

1. motionärer som åt antioxidanter
2. motionärer som inte åt antioxidanter
3. icke-motionärer som åt antioxidanter
4. icke-motionärer som inte åt antioxidanter

Båda grupperna av motionärer var bättre efter några månader, men grupp 2 - som tränade utan tillskott - presterade bäst. Deras celler anpassade sig på ett sätt som var fördelaktigt för organismen. Cellerna är bättre på att uppskatta sitt behov än tillskott av vitaminer och antioxidanter, som istället tycks störa den hälsofrämjande och uthållighetshöjande stressen av fysisk träning.

Tyvärr minskar mängden mitokondrier med åldern, vilket kan öka risken för allt från Parkinsons sjukdom till diabetes typ 2 och ett snabbare åldrande. Dessutom blir de mitokondrier du har som äldre mindre effektiva. Eftersom mitokondrier en gång var bakterier kan de också bli skadade av vissa typer av antibiotika.

Träning ger bättre mitokondrier

Men träning ökar din mitokondrievolym. Träning ökar också stressen och dödar dåliga mitokondrier, vars beståndsdelar kan återvändas av nya, friska mitokondrier. Fler friska och färre sjuka mitokondrier leder till ökad effektivitet.

Förmodligen är det så att många av de fördelaktiga effekterna av träning förmedlas genom mitokondrierna. När du springer intervaller är det en signal som aktiverar gener som producerar mitokondrier. När du springer lugnt använder du dessa mitokondrier på ett effektivt sätt. Hårt och lugnt är en bra kombination för dig och dina triljontals mitokondrier.

Använd diafragman

Är det lungorna och mängden syre du sväljer som avgör hur uthållig du är? Nej, men lungor och syre är viktigt. Det är viktigt att andas djupt med magen - det sparar kraft och energi och gör att du springer mer avslappnat, men med tanke på att du badar i syre vid havsnivån och att människans lungor konstruerats med en viss överkapacitet, så är det inte brist på syre. Du fylls upp med syre enligt fysikens lagar. Genom att trycka ut magen och spänna diafragman, skapas ett lägre tryck i lungorna och luft strömmar in från atomsfären. Det kan bli brist på syre, men det sker längre in i kroppen. Det syre du andas in, är bara det första steget i en lång kedja och ingen kedja är starkare än sin svagaste länk.

Ingen brist på syre

Du andas in enorma mängder luft, omkring 7,5 liter i minuten varav 1,5 liter syre. Vid extrem ansträngning kan en toppidrottsman dra i sig 150 liter luft per minut, varav 30 liter syre. Det svenska rekordet i syreupptagning - som innehas av Lassi Karonen - är dock "bara" 7,2 liter, resten - över 20 liter syre - kommer aldrig till användning i Karonens celler. Det åker in och sedan ut igen. Det är alltså bara en liten del av syret som tränger in i cellerna. Det finns en överkapacitet. Det är slagvolym, hjärtfrekvens, samt muskler och cellandning som begränsar syretillgången.

Du behöver dessutom inte större lungor, de är redan enorma. Om du sliter ut ett par lungsäckar, vecklar ut dem och hamrar ut alla blåsor, skulle du få en lungmatta på 100 kvadratmeter. 

Foto Robina Weermeijer på Unsplash

I luften är syrets partialtryck 160 mmHg. När syret når lungornas alveoler sjunker trycket till 100 mmHg, eftersom syre strömmar över till syrefattigt blod tills dess blodet blir nästan helt syremättat. När du andas ut är syretrycket 116 mmHg, så syrehalten stiger när du andas ut. Det beror på att det finns oanvänt syre i luftstrupen, vilket förklarar hur det kommer sig att du kan blåsa liv i folk med mun-mot-mun-metoden. 

Jämfört med fåglar, som helt och hållet kan kollapsa sin lunga, är våra lungor ineffektiva som blandar ny och gammal luft. Det är kanske därför som fåglar kan flyga tvärs över öknar och klättra 10 000 meter utan gasmask. Men fåglar kan inte - vad jag vet - göra näbb-mot-näbb-metoden. 

Det är koldioxid som styr

Andningen regleras normalt inte av syrehalten i blodet utan av mängden koldioxid. När du bränner fett och socker måste kolatomer i form av koldioxid ut ur kroppen. Koldioxiden reagerar med vatten i blodet och bildar sur kolsyra. Hjärnan är känsligt för blodets surhetsgrad och det finns receptorer som känner av pH-värdet. Om blodet är surare än normalt, kommer den förlängda märgen i hjärnstammen att aktivera hjärtmusklerna, revbensmusklerna och diafragman. Mer koldioxid pressas då ut ur kroppen och det medför i sin tur att mer syre sugs in och att blodets pH-värde återställs. Det är således mängden koldioxid som styr andningen. Hjärnbryggan, som också finns i den urgamla hjärnstammen, styr hastigheten på andningen. Det är en helt och hållet omedveten process, men kan också kontrolleras medvetet med hjärnbarken - annars skulle du ju inte kunna äta, prata och sjunga. Men försök hålla andan så upptäcker du att det är hjärnstammen som har den egentliga kontrollen. Det går inte att besegra hjärnstammen. Den har simmat, krälat och sprungit runt i hundratals miljoner år.

Det viktiga är inte hur mycket syre du får ner i lungorna, utan hur mycket syre som kan transporteras till musklerna och användas som mottagare av elektroner i slutet av andningskedjan. Det kräver kapillärer, mitokondrier, enzymer och transportproteiner. Denna infrastruktur byggs upp som ett svar på stress från träning och det leder till att du känner dig mindre andfådd. Du behöver inte andas lika häftigt, eftersom cellerna blir bättre och effektivare på att använda det syre som finns och på att göra sig av med den koldioxid som bildas.

Lungorna är däremot lika stora som förut. De blir inte större av träning utan storleken styrs av gener. Haile Gebrselassie har förmodligen små lungor jämfört med världens starkaste man, men Gebrselassie är mycket uthålligare. Men du kan stärka musklerna runt lungorna. Det kanske t o m kan vara värdefullt eftersom omkring 15 % av syreupptagningen går till andningen när du anstränger dig hårt. Diafragman är emellertid oerhört uthållig. Ibland kan du dock få kramp, så kallat håll eller mjälthugg. Denna kramp uppkommer förmodligen p g a irritation i bukhinnans parietalceller, som är det yttersta lagret av bukhinnan och som fäster på bukväggen och undersidan av diafragman. Det kanske i sin tur beror på att man nyss ätit eller andas ytligt och inte tillräckligt avslappnat. 

Jan Ullrich vinnare av bl a Tour de France verkar kunna andas med magen.

Det är diafragman som ska dra ner lungorna så att alveolerna kan expandera, inte de ängsliga revbensmusklerna högre upp som sitter runt bröstkorgen. Det är diafragman som pumpar upp lungornas miljontals små alveoler. Det är där blodet (läs om hemoglobin här) gör sig av med kol och hämtar upp syre. Problemet med det är kanske först och främst socialt. I vår kultur håller vi in magen och det anses - av någon anledning - fult med en mage som står ut. Om du däremot tittar på exempelvis de bästa cyklisterna (bilden ovan) är de oerhört duktiga på att spänna ut magen och suga in luft. 


Detta inlägg är en uppdatering av ett gammalt inlägg http://hjarnfysik.blogspot.com/2015/09/lungor-och-syreupptagning.html

Allting hänger ihop

Ju mer man lär sig, desto lättare är det att lära sig nya saker eftersom allt hänger ihop. Det är inget mystiskt. Allt hänger ihop, för allt har ett gemensamt ursprung. Man kan välja vilken yttring av livet som helst för att bevisa det, som t ex blodet, andningen och hjärnan.

Blod och järn
Blodet består av blodkroppar. I varje blodkropp finns miljontals proteiner som kallas hemoglobin. I mitten av varje hemoglobin finns en järnatom. När du andas in syre från atmosfären binder dessa järnatomer syret till sig och fraktar syret till kroppens vävnader.

Blodflöden.

Blodets järn kommer från stjärnorna. Järn är stjärnaska. När en massiv stjärna brunnit upp återstår endast stjärnaska. Allt järn som finns i din kropp kommer från några få massiva stjärnor som exploderat och spridit sin aska i universum. Det skedde för mer än fem miljarder år sedan. Det var ungefär då vår sol tändes av gravitationen. Solen fångade upp järn och andra grundämnen som kväve, kol och syre från döda stjärnor. Förutom solen skapades planeter, däribland jorden. I begynnelsen var jorden täckt av stjärnaska.

Andning och syre
Det gick inte att andas på jorden. Atmosfären bestod av 80 procent kväve och 19 procent koldioxid. Endast anaeroba bakterier som levde utan syre kunde överleva. 

För omkring 2,5 miljarder år sedan uppfann cyanobakterierna fotosyntesen. De utnyttjade solens energi och använde koldioxid för att skapa sig själva och som restprodukt bildades syre. Detta syre fångades upp av järnet i haven och på marken. Jorden blev roströd som Mars. När allt järn rostat började syre samlas i atmosfären. För nästan en miljard år sedan bildade syret ett skyddande ozonlager. Växtcellerna tog cyanobakteriernas fotosyntes - kloroplaster - och djurcellerna tog bakterier - mitokondrier - som använder syre för att skapa energi. Djuren tog syret och gav i från sig koldioxid och växterna tog koldioxiden och gav i från sig syre. 

Människans kosmiska roll är att andas, att i utbyte mot syre ge växterna koldioxid.

Kosmos och atomer
En människa består av 7x10^27 atomer. En atom består av protoner med en livslängd på 10^32 år och elektroner med en livslängd på 10^28 år. I jämförelse med universum som funnits i 13,8^9 år är våra atomer odödliga.

Omkring 98 procent av alla våra atomer byts ut under ett år. Efter tio år är varenda atom utbytt. Varje dag tar våra kroppar in 1,05 kg materia, 2,5 kg vatten och 0,8 kg luft. Det motsvarar ca 7 procent av kroppsmassan. På två veckor tar vi alltså in hela vår kroppsmassa. Det betyder att 7 procent av dig är borta i morgon. Det motsvarar en av dina armar. Men du är inte de atomer du består av. Du är mönster i en kosmisk väv.

Till vänster en bild av hjärncell och till höger en bild av universum.

Hjärnan och mening
På vår breddgrad virvlar jorden runt sin egen axel med ca 800 km/h. Luften rör sig alltså över jorden på några dagar. Syret du andas in skapades i en stjärna för över fem miljarder år sedan. Sedan bröts syret loss från andra atomer i en växt, kanske på andra sidan jorden för bara en vecka sedan. Du kan i din tur föda en blomma med koldioxid på andra sidan jorden om några dagar.

En femtedal av allt syre som du andas in fraktas av blodets järnatomer till hjärnan. Hjärnan används för att bygga modeller. Den förutspår framtiden. Hjärnor har upptäckt och modellerat galaxer och supernover, neuroner och hemoglobin. Hjärnan gissar vad som ska hända. Just nu gissar hjärnan nästa ord i den här texten och jag kan hoppa några ord eftersom den fyller i tomrum och spakar odrning i kaos.