Промени в дишането по време на физическа работа

Физическата работа е стресова ситуация за организма, по време на която настъпват характерни промени в работата на различните органи и системи. Ако доставката на кислород се осъществяваше чрез дифузия през кожата, би било невъзможно да се задоволяват основните кислородни изисквания. Благодарение на съществуването на забележително ефективната дихателна система се осъществява необходимата газова обмяна и доставка на кислород до клетките. Тази система е основният регулатор на газовото съдържание на организма. Основните функции на дихателната система включват:

• доставка на кислород за метаболизма;
• елиминиране на въглеродния диоксид, получен по време на клетъчния метаболизъм;
• регулация на концентрацията на H⁺ и на алкално-киселинното равновесие.

По време на физическа работа настъпват промени в белодробната вентилация и в газовата обмяна в белите дробове и в тъканите, които са резултат от промени в регулацията на дишането.

Промени в белодробната вентилация

Терминът белодробна вентилация описва колко атмосферен въздух се вдишва и се обменя с въздуха, намиращ се в белите дробове. Една от най-важните промени, които настъпват в дихателната система по-време на физическа работа е увеличаването на минутния дихателен обем, което се дължи на увеличаване на дихателния обем (обемът въздух, който навлиза в белите дробове при спокойно вдишване) и на дихателната честота. При физиологични условия дихателната честота е от 16-20 цикъла в минута. По време на физическа работа с максимална мощност тя се увеличава до 35-45/минута, като при елитни атлети са измерени стойности дори 60-70 минута. Дихателният обем се увеличава до 2-4 литра, в сравнение със състоянието на покой, при които размерът му е 500 милилитра. Той не може да се увеличи с повече от 60% от виталния капацитет (максималния обем въздух, който може да се издиша след максимално вдишване). Увеличаването на дихателния обем става за сметка на ИРО (инспираторен резервен обем – количеството въздух, която човек може допълнително да поеме след нормално вдишване) и ЕРО (експираторен резервен обем – количеството въздух, което човек може допълнително да издиша след максимално издишване). В резултат на тези промени минутният дихателен обем се увеличава 100-120 литра/минута. В зависимост от тренираността на индивида минутният дихателен обем се увеличава за сметка на дихателната честота или на дихателния обем. При умерено натоварване добре тренираните хора увеличават минутния дихателен обем за сметка на дихателния обем, като дихателната честота остава непроменена. Така алвеоларната вентилация се увеличава значително, като става 85% от минутния дихателен обем.

При увеличаване на натоварването, минутния дихателен обем (МДО) достига до своята максимална стойност и започва да се увеличава и дихателната честота. Увеличаването на МДО става през три фази. По време на първата фаза той се увеличава рязко, по време на втората фаза се увеличава по-бавно, по време на третата фаза достига ново по-високо стабилно ниво. При работа с умерена мощност увеличаването на МДО е пропорционално на увеличения метаболизъм. С други думи увеличението на МДО е пропорционално на увеличението на кислородната консумация (КК) и на продукцията на въглероден диоксид. Отношението МДО:КК се означава като вентилаторен еквивалент на кислорода. Този показател дава представа за ефективността на дишането. При работа с умерена мощност стойността му е 20-25 литра, докато при работа с много голяма мощност стойността му нараства над 30 литра, защото минутния дихателен обем се увеличава повече от кислородната консумация. Мощността на работата, при която вентилаторния еквивалент на кислорода започне да се увеличава, се означава като вентилаторен праг. Вентилаторният праг по принцип съвпада с лактатния праг (мощността на работата, при която рязко започва да се покачва концентрацията на лактата в кръвта). При работа над вентилаторния праг в кръвта попадат H⁺. Част от тях се буферират и се образува неметаболитно произведен въглероден диоксид. Той и H⁺ стимулират дихателния център. Това води до допълнително увеличаване на минутния дихателен обем, при което се издишва както метаболитно, така и неметаболитно образуван въглероден диоксид.

Промени в газовата обмяна

Газовата обмяна представлява дифузия на кислород и въглероден диоксид през алвеоло-капилярната бариера. По време на физическа работа обемът на кислорода и на въглеродния диоксид, които дифундират и се обменят за единица време се увеличава. Увеличението се дължи на увеличения обем газове и на увеличения обем кръв, който преминава през белите дробове за една минута. Дифузионният поток на газовете се увеличава в резултат на увеличения пресорен градиент за дифузията на кислород и въглероден диоксид през респираторната мембрана, което се дължи главно на промяна в парциалните налягания на газовете във венозната кръв, и на увеличения дифузионен капацитет, който се дължи на увеличаването на дифузионната площ чрез отваряне на неперфузираните капиляри във върховете на белите дробове. Газовете в кръвта достигат до дифузионно равновесие с тези в алвеоларния въздух. Увеличеното навлизане на кислород в кръвта се дължи и на увеличената концентрация на хемоглобина. Всички тези промени водят до увеличаване на обема кислород, който навлиза от алвеолите в кръвта. Газовата обмяна по време на физическа работа е по-ефективна и поради подобреното отношение вентилация:перфузия, което се дължи на по-равномерното разпределение на кръвотока в белите дробове. При работа с много голяма мощност отношението вентилация:перфузия се влошава. При умерена физическа работа съставът на алвеоларния въздух и на кръвта не се променят значително. Парциалното налягане на кислорода, на въглеродния диоксид и рН на артериалната кръв остават в нормални граници. Това показва, че по време на физическа работа се развива хиперпнея (учестено и по-дълбоко дишане от нормалното), но не и хипервентилация. Стойността на тези показатели се променя при работа с мощност над лактатния праг. рН спада в резултат на анаеробни метаболизъм в гликолитичните мускулни влакна. Р_аСО₂ се понижава, тъй като алвеоларната вентилация се увеличава в по-голяма степен в сравнение с продукцията на въглероден диоксид. Р_аО₂ не се променя или леко спада. Това се дължи на увеличения дисбаланс между алвеоларна вентилация и перфузия.

Газовата обмяна в тъканите по време на физическо натоварване също се променя. Това се дължи на факта, че се увеличава много обемът на кислорода и обемът на въглеродния диоксид, които се обменят за единица време между мускулите и кръвта. Това се дължи на увеличения обем на обменените газове и на увеличения кръвоток през работещите мускули. Кръвоснабдяването на мускулите може да се увеличи до 30 пъти вследствие на вазодилатация и перфузия на капиляри, които не са били перфузирани в състояние на покой. Тези промени подпомагат газовата дифузия, защото намаляват дифузионното разстояние. Работещите мускули консумират много повече кислород и произвеждат много повече въглероден диоксид. Това създава по-голям градиент за дифузия на газовете между кръвта и мускулите. По-голямото отдаване на кислород от кръвта към мускулите се дължи и на изместването на дисоциационната крива на оксихемоглобина надясно под влияние на увеличената температура, увеличеното Р_аСО₂ и намаленото рН в работещите мускули. Промените в дисоциационната крива позволяват да се извлича по-голям обем кислород от работещите мускули без да се променя налягането му. При покой от 1 литър кръв се освобождават около 50 милилитра кислород, а по време на физическо натоварване този обем може да се увеличи до 100-150 милилитра/литър. В резултат от тези механизми работещите мускули могат да получат до 100 пъти повече кислород за 1 минута в сравнение с количеството, което получават при покой. Това създава възможност за синтез на по-голямо количество АТФ по аеробен път и позволява извършването на по-голяма мускулна работа.

Регулация на дишането по време на физическа работа

Дишането по време на физическа работа се регулира по нервни и хуморални механизми. В началото на физическата работа основна роля имат неврогенните стимули от кората на главния мозък. Те увеличават активността на дихателния център и предизвикват рязко увеличение на минутния дихателен обем в началото на физическата работа. Двигателната зона на кората изпраща възбудни импулси към дихателния център успоредно с командите за съкращение на мускулите. Дихателният център получава възбудни импулси и от рецепторите в мускулите и в ставите, които се възбуждат при тяхното движение. Дори пасивното придвижване на ръцете и на краката увеличава МДО няколко пъти. Още през първата минута на физическата работа, алвеоларната вентилация се покачва толкова много, че стойностите на Р_аСО₂ намаляват под нормалните. Това се дължи на предварителната регулация на централната нервна система, която осигурява по-голяма алвеоларна вентилация, още преди да е нужна. След 30-40 минути този показател се връща към нормалните стойности. От друга страна всяка промяна в Р_аСО₂ има стимулиращ или потискащ ефект върху алвеоларната вентилация.

За финото нагласяне на алвеоларната вентилация към метаболизма по време на физическа работа допринасят и химичните фактори, които действат на периферните химиорецептори. Големите промени в стойностите на рН и на кръвните газове се дължат на увеличения дихателен обем и на увеличената метаболитна активност. Химиорецепротите могат да бъдат стимулирани и от повишената концентрация на K⁺, която се дължи на възбуждането на съкращаващите се мускули. Периферните химиорецептори стимулират дихателния център. При работа с мощност над лактатния праг те допринасят за появата на хипервентилация. Дихателният център се повлиява и от други фактори по време на физическа работа, като дразненето на механо- и химиорецепторите в работещите мускули и натрупването на метаболитни продукти (метаборефлекс). Друг фактор е повишената телесна температура, която предизвиква увеличение на белодробната вентилация. Ефектът на телесната температура е много важен при работа с мощност над лактатния праг, защото по този начин се неутрализира потискащото действие на намаленото парциално налягане на въглеродния диоксид.

По време на физическа работа нуждите от кислрод на организма се увеличават. Благодарение на промените в дишането тази повишената кислородна потребност на тъканите се задоволява.