Парциальное давление углекислого газа в венозной крови больше, чем в воздухе. Из-за этого углекислый газ покидает кровь и выходит с выдыхаемым воздухом.
При обычном дыхании через дыхательную систему человека за минуту проходит около 8 литров воздуха. При нагрузке и болезнях, сопровождающихся усилением обмена веществ, легочная вентиляция усиливается, появляется одышка. Если учащение дыхания не справляется с поддержанием нормального газообмена, в крови снижается содержание кислорода – возникает гипоксия (кислородное голодание).
Она также начинается в условиях высокогорья, где количество кислорода во внешней среде снижено. Развивается горная болезнь.
Помимо основной функции – обеспечения поступления в кровь кислорода и удаления из нее углекислого газа, у органов дыхания есть еще несколько.
Терморегуляция. Температура воздуха, поступающего в организм, влияет на температуру тела. Выдыхая, человек отдает часть тепла внешней среде, охлаждая организм.
Очищение. На выдохе из организма удаляется не только углекислый газ, но и пары воды и других веществ.
Поддержание иммунитета. Клетки легких способны обезвреживать вирусы и болезнетворные бактерии.
Газообмен происходит благодаря чередованию актов вдоха (инспирации) и выдоха (экспирации). В легких мышечной ткани нет, поэтому механизм дыхания осуществляется за счет дыхательной мускулатуры. Основные ее составляющие – это межреберные мышцы, диафрагма и вспомогательные мышцы шеи и живота.
На вдохе грудная клетка приподнимается за счет межреберных мышц. При этом происходит уплотнение и сокращение диафрагмы. На выдохе мышцы расслабляются, диафрагма возвращается в прежнее положение, поднимаясь наверх, и вытесняет воздух, наполненный углекислым газом, из организма.
Организм человека ежедневно потребляет около 20 килограммов воздуха, причем в составе воздуха вдыхает 21,3 % кислорода, 0,3 % углекислого газа, а выдыхаемый воздух содержит 16,3 % кислорода, 4,0 % углекислого газа. Так происходит газообмен. Кроме того, в состав воздуха входит 79 % азота, 1 % аргона и другие инертные газы в небольших количествах. Кроме того, при дыхании обеспечивается терморегуляция и водный обмен (в процессе дыхания из легких испаряется вода), также выводятся газообразные продукты метаболизма.
В дыхательном центре в мозге человека есть центр вдоха и выдоха. При нормальном режиме дыхания центр вдоха посылает сигнал дыхательным мышцам и стимулирует сокращение, что приводит к увеличению объема грудной клетки и воздух попадает в легкие. При увеличении объема легких в стенках легких стимулируются рецепторы растяжения, которые подают импульс в центр выдоха. Этот центр подавляет центр вдоха, дыхательные мышцы расслабляются, осуществляется выдох. Если, например, организм человека, при физических нагрузках начинает интенсивно поглощать кислород и, как следствие, выделять много углекислого газа, это приводит к образованию в крови угольной кислоты, а в мышцах – молочной кислоты. Эти кислоты возбуждают дыхательный центр, а глубина и частота дыхания увеличиваются, обеспечивая баланс газообмена.
В крупных сосудах, отходящих от сердца, находятся рецепторы, которые реагируют на снижение содержания кислорода в крови, стимулируя дыхательный центр увеличить частоту дыхания. Такая система саморегуляции дыхания позволяет обеспечить функционирование всех систем и органов, независимо от условий, в которых осуществляется дыхание человека.
Жизненная емкость легких является важным показателем для определения состояния аппарата внешнего дыхания. Для женщин жизненная емкость легких (ЖЕЛ) составляет примерно 3,5 л; для мужчин – от 4 до 5 л. Наиболее высокие показатели у спортсменов, чья деятельность связана с активным дыханием (лыжники, гребцы, пловцы, легкоатлеты).
Определить ЖЕЛ можно с помощью спирографии. Человек делает максимально глубокий вдох, а затем выдыхает через трубку, соединенную с аппаратом, который называется спирограф.
На уменьшение жизненной емкости легких может влиять курение, жизнь в экологически неблагоприятной среде, отсутствие физических нагрузок. При хроническом уменьшении ЖЕЛ возникают патологические состояния плевральной полости или легочной ткани, что ведет к дыхательной недостаточности. Человек вынужден дышать чаще, так как чувствует постоянную нехватку воздуха. Недостаток кислорода вызывает головокружения, слабость, плохое самочувствие. Все это со временем может привести к возникновению различных заболеваний: бронхит, плеврит, астма, эмфизема легких и т. п.
Поддерживать жизненную емкость легких в норме и обеспечивать правильное дыхание помогают специальные упражнения, направленные на корректировку механизма работы дыхательных мышц.
Зачем нужен углекислый газ
Воздух, которым сейчас дышит человек, содержит 0,3 % углекислого газа, а древний воздух нашей планеты был перенасыщен углекислым газом, и организм древних животных функционировал с учетом этого показателя. Как известно, зародыш человека в процессе развития проходит все этапы становления человека. Именно поэтому оплодотворенная яйцеклетка в первые дни находится почти в бескислородной среде – кислород для нее просто губителен. И только по мере развития и формирования плацентарного кровообращения постепенно начинает работать кислородное дыхание. В крови плода человека в 2 раза больше углекислого газа, а кислорода в 4 раза меньше, чем у взрослого.
Избыток кислорода губителен для всего живого, ведь кислород – это сильный окислитель, который при определенных условиях может разрушать мембраны клеток.
Углекислый газ организм человека получает при расщеплении пищи, особенно углеводной, при окислении с помощью кислорода в тканях организма образуется углекислый газ. Он в организме человека является важным компонентом в регулировании дыхания; изменяет кислотно-щелочное равновесие – важнейший фактор здоровья; расширяет сосуды и этим снижает давление; от него зависит поступление кислорода в клетки, так как гемоглобин отдает кислород только при наличии определенной концентрации углекислого газа в крови.
Еще он участвует в распределении ионов натрия в тканях организма; оказывает влияние на активность ферментов и проницаемость мембран клеток; концентрация углекислого газа прямо пропорциональна интенсивности функционирования пищеварительных желез; успокаивает нервную систему; участвует в синтезе аминокислот. Даже частоту дыхания мозг регулирует по уровню углекислого газа.
Более ста лет назад российский ученый Б. Ф. Вериго, а затем и датский физиолог Христиан Бор открыли эффект, названный их именем. Он заключается в том, что при дефиците углекислого газа в крови нарушаются все биохимические процессы организма. А значит, чем глубже и интенсивней дышит человек, тем больше кислородное голодание организма. Чем больше в крови СО2, тем больше кислорода доходит до клеток и усваивается ими. Таким образом, переизбыток кислорода и недостаток углекислого газа ведут к кислородному голоданию. Эффект Вериго – Бора заключается в том, что без присутствия углекислоты кислород не может высвободиться из связанного состояния с гемоглобином, что приводит к кислородному голоданию организма даже при высокой концентрации кислорода в крови.
Чем заметнее содержание углекислого газа в артериальной крови, тем легче осуществляется отрыв кислорода от гемоглобина и переход его в ткани и органы, и наоборот – недостаток углекислого газа в крови способствует закреплению кислорода в эритроцитах. Возникает парадоксальное состояние: кислорода в крови достаточно, а органы сигнализируют о его крайнем недостатке. Человек начинает задыхаться, стремится вдохнуть и выдохнуть, пытается дышать чаще и еще больше вымывает из крови углекислый газ, закрепляя кислород в эритроцитах.
Любые активные занятия спортом, и даже просто физкультура, или ходьба, или физическая работа полезны именно тем, что в крови человека увеличивается содержание углекислого газа. Расширяются мелкие артерии, усиливается кровоток, улучшается питание мозга и внутренних органов. Регулярная гиперкапния активирует выработку факторов роста сосудов, что приводит к формированию более разветвленной капиллярной сети и оптимизации тканевого кровообращения мозга.
Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа. Именно накопившийся в крови углекислый газ является физиологическим стимулятором дыхания. После этого открытия углекислый газ начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательного центра. Этот же принцип используют при наркозе.
Повышение уровня угольной кислоты в крови называется «гиперкапния». Оно чаще всего возникает при длительном нахождении в душном помещении с плохой вентиляцией, при плавании с очень длинной дыхательной трубкой, при задержках дыхания под водой.
Снижение уровня угольной кислоты в крови называется «гипокапния» и чаще всего возникает при учащенном дыхании (гипервентиляция). Это приводит к развитию газового (респираторного) алкалоза – это нарушение регуляции кислотно-щелочного равновесия. Гипокапния перераспределяет кровоток, отводя кровь к мышцам за счет снижения кровотока в сердце, мозге, желудочно-кишечном тракте, печени, почках.
Гипервентиляция всегда бывает при стрессе, ведь стресс нацелен на то, что сейчас человек начнет действовать: побежит, спасая свою жизнь, или начнет драться. Гипервентиляция – это эволюционно выработанная реакция, которая делает двигательную реакцию на стресс более быстрой, интенсивной и совершенной.
Гипервентиляция, вызванная ситуационным стрессом, у здорового человека прекращается с окончанием стресса.
Но при длительном психоэмоциональном напряжении у ряда людей происходит нарушение регуляции дыхания, и такое избыточное дыхание может закрепиться, положив начало феномену хронической нейрогенной гипервентиляции. Нарушается деятельность организма, потом начинают развиваться заболевания.
Дыхание йогов способствует тому, чтобы терять как можно меньше углекислого газа. А дыхание обычных людей – это хроническая гипервентиляция легких, избыточное выведение углекислого газа из организма, что обусловливает возникновение различных заболеваний, именуемых нередко «болезнями цивилизации».
Есть теория о том, что первопричина гипертонии – именно недостаточная концентрация углекислого газа в крови. Для этого в начале 1990-х годов российские физиологи выяснили, сколько углекислого газа находится в артериальной крови гипертоников и здоровых людей.
Н.А. Агаджанян, Н.П. Красников, И.Н. Полунин выяснили газовый состав крови больших групп населения разных возрастов. У подавляющего большинства обследованных пожилых людей в состоянии покоя в артериальной крови содержалось 3,6–4,5 % углекислого газа при норме 6–6,5 %.
Доказано, что упражнения, вызывающие гипоксию на равнине, оказываются более полезными для здоровья, чем просто пребывание в горах даже для того, кто легко переносит горный климат. Связано это с тем, что, дыша разреженным горным воздухом, человек дышит глубже обычного, чтобы получить больше кислорода. Более глубокие вдохи автоматически приводят к более глубоким выдохам, что приводит к удалению углекислоты из организма и различным нарушениям его деятельности начиная со спазма сосудов.
Да и сама горная болезнь связана не только с дефицитом кислорода, но и с избыточной потерей углекислого газа при глубоком дыхании.
Польза таких упражнений, как бег, плавание, гребля, велосипед, лыжи и т. д. во многом определяется тем, что в организме создается режим умеренной гипоксии, когда потребность организма в кислороде превышает возможность дыхательного аппарата удовлетворить эту потребность, и гиперкапнии, когда в организме углекислого газа вырабатывается больше, чем организм может выделить легкими.
Виды дыхания
Самые разные виды дыхательных упражнений и практик базируются на нескольких видах дыхания: нижнее (диафрагмальное), среднее (реберное), верхнее (ключичное), полное (смешанное). Их отличие состоит в том, что каждый из видов дыхания применяется для вентилирования отдельного участка легких.
Диафрагмальное дыхание осуществляется при сокращении диафрагмы, мышц брюшной полости. На вдохе, при опускании диафрагмы, растет отрицательное давление в грудной клетке, нижняя часть легких заполняется воздухом. При вдохе внутрибрюшное давление повышается, брюшная стенка выпячивается. На выдохе брюшная стенка возвращается в нормальное положение, а диафрагма поднимается, вентилируется нижняя часть легких и частично средняя.
Реберное дыхание производится с помощью межреберных мышц, при этом слегка поднимается грудная клетка, расширяется в стороны и чуть вверх, вентилируется средняя часть легких.
При ключичном дыхании дыхательные движения происходят в процессе поднятия ключиц и плеч вверх, грудная клетка при этом неподвижна, несколько втягивается диафрагма. Вентилируются верхняя часть легких, немного средняя.
Полное дыхание – комбинация трех предыдущих видов дыхания, оно обеспечивает равномерную вентиляцию всего объема легких. Йоги считают полное дыхание самым полезным из всех.
Также дыхание может быть глубокое и медленное, глубокое и частое, поверхностное и медленное, поверхностное и частое.
Глубокое и медленное дыхание – вдох медленный, несколько растянут. Такое дыхание расслабляет тело, используется для нейтрализации некомфортных состояний, негативных эмоций.
Глубокое и частое дыхание в два раза чаще и глубже естественного дыхания, используется в дыхательных практиках для гипервентиляции легких, насыщения организма кислородом.
Поверхностное и медленное дыхание используется в дыхательных практиках для постепенного выхода из них.
Поверхностное и быстрое дыхание применяется для преодоления негативных переживаний, как действенная помощь на пике эмоций, чтобы избавиться от них.
Существует техника прямого и обратного дыхания.
Прямое дыхание – это естественный тип дыхания, который используется человеком в повседневной жизни.
Обратное дыхание характеризуется движениями живота, которые противоположны естественным, оно при меняется эпизодически, например, при выполнении тяжелой работы. На вдохе низ живота напрягается, подтягивается, а диафрагма опускается вниз, что позволяет воздуху наполнять легкие. При выдохе живот расслабляется, диафрагма поднимается, удаляя воздух из легких. При поднятии тяжестей так неосознанно дышит человек, так как обратное дыхание позволяет получать значительные физические ресурсы.
Как нужно правильно дышать
В покое для человека оптимальны медленный, неглубокий вдох, задержка дыхания, медленный, неглубокий выдох. Выдох должен быть в два раза длиннее вдоха, а задержка дыхания по времени равна длине вдоха. Удлиненный выдох и задержка дыхания позволяют удержать углекислый газ в организме.
При задержке дыхания на вдохе к легким и сердцу поступает больше крови, увеличивается вентилируемая поверхность легких, поэтому переход в кровь кислорода осуществляется более эффективно. Углекислый газ не удаляется (задержка дыхания), накапливается в крови, способствуя усиленной отдаче кислорода гемоглобином. Так что при задержке дыхания на вдохе человек способствует насыщению организма кислородом, стимулирует газообмен.
Во время задержки дыхания на выдохе поступление крови к сердцу, наоборот, уменьшается и сердце начинает сокращаться вхолостую (в нем меньше крови) – это отрицательно сказывается на работе кровеносной системы. Легкие тоже получают мало крови, уменьшается их вентилируемая поверхность (так как легкие сжаты). В крови резко повышается концентрация углекислого газа и ионов водорода.
Не следует задерживать дыхание на максимальном вдохе и выдохе, рекомендуемый показатель составляет 70–80 % от максимального. Если задержка дыхания происходит на максимальном вдохе, то это грозит растяжением легочной ткани. На вдохе следует больше задействовать диафрагмальное дыхание. Задержка дыхания на максимальном выдохе – это гарантия разбалансированной работы сердца. При слабом сердце вообще не следует задерживать дыхание на выдохе.
На вдохе и выдохе рекомендуется дышать с помощью диафрагмы, то есть животом. Такое дыхание еще называют «лимфатическим сердцем», так как оно способствует перекачке жидкостей, выполняется массаж внутренних органов, нормализуется кровообращение тазовой, брюшной полости и ног.