Поступающий в клетки кислород обеспечивает тканевые окислительные процессы, происходящие в них с освобождением энергии и выделением углекислого газа и других веществ — продуктов жизнедеятельности.
Координированная ритмическая деятельность дыхательных мышц и приспособление дыхания к условиям внешней и внутренней среды организма обеспечиваются дыхательным центром, представляющим совокупность нервных клеток, расположенных в разных отделах центральной нервной системы. Факторами, вызывающими возбуждение дыхательного центра, являются напряжение углекислого газа и напряжение кислорода в крови. При понижении напряжения кислорода в крови наблюдается рефлекторное учащение ритма дыхания, а при незначительном повышении напряжения углекислого газа в крови происходит рефлекторное углубление дыхательных движений. Существенным в регуляции дыхания является то, что понижение напряжения углекислого газа в крови угнетает деятельность дыхательного центра и приводит к уменьшению объема вентиляции легких.
Для регуляции дыхательной деятельности характерны рефлекторность и автоматия. Однако в процессах регуляции дыхания принимают участие также вышележащие отделы центральной нервной системы. Важная роль в регуляции дыхания принадлежит большим полушариям головного мозга и их коре, благодаря которой осуществляется приспособление дыхательных движений при разговоре, различных видах деятельности.
На функциональное состояние дыхательного центра оказывают влияние факторы внешней среды и состояние организма человека.
Наиболее важными факторами внешней среды являются газовый состав и давление атмосферного воздуха. Существенное влияние на дыхание оказывают такие природные факторы внешней среды, как температура, влажность, подвижность воздуха, что обусловлено, в частности, участием дыхания в процессе теплообмена организма с внешней средой. Задымленность, запыленность воздуха, содержащиеся в нем различные примеси также оказывают воздействие на дыхание человека.
При мышечной работе, эмоциональном возбуждении и т. п. интенсифицируется обмен веществ, а следовательно, увеличиваются потребление кислорода и выделение углекислого газа, что сказывается на функции дыхания. Функциональное состояние дыхательного центра оказывается связанным и с питанием, поскольку после приема пищи обменные процессы в организме человека усиливаются.
Глубокие патологические нарушения дыхания могут иметь место при пребывании человека в условиях пониженного атмосферного давления. На высоте порядка 4000–6000 м могут возникнуть симптомы так называемой горной болезни, которая характеризуется рядом признаков, свидетельствующих о кислородной недостаточности — гипоксии. Причиной появления горной болезни является снижение парциального давления кислорода и углекислого газа в атмосферном воздухе.
При пониженном атмосферном давлении из-за низкого парциального давления кислорода снижается его напряжение в крови, что вызывает учащение дыхания. Это ведет к вымыванию углекислоты из крови. При этом понижается возбудимость дыхательного центра и дыхание не усиливается настолько, насколько это требуется для удовлетворения потребности организма в кислороде. Прибавка к вдыхаемому воздуху некоторого количества СО2 (до 3 %) вызывает заметное улучшение состояния организма при высотной болезни. Адаптация организма к пониженному парциальному давлению кислорода обеспечивается усилением легочной вентиляции, увеличением содержания эритроцитов в крови (повышением кислородной емкости крови), понижением чувствительности тканей к недостаточному снабжению кислородом, а также учащением и усилением сердечной деятельности, раскрытием капилляров тканей.
Интенсивность дыхания тесно связана с интенсивностью окислительных процессов в организме. Так, при тяжелой мышечной работе увеличиваются глубина и частота дыхательных движений. В соответствии с величиной выполняемой работы увеличивается вентиляция легких, параллельно возрастает и минутный объем кровотока, перестраивается работа всей системы кровообращения. Потребности организма в кислороде в состоянии покоя составляют 250–350 мл в минуту, а во время работы — 4500–5000 мл в минуту. Интенсивно работающие мышечные волокна испытывают недостаток кислорода, что является причиной накопления молочной кислоты в тканях и перехода ее в кровь. Молочная кислота вытесняет угольную кислоту из ее связей с ионами натрия и калия, что приводит к повышению напряжения углекислого газа в крови и к возбуждению дыхательного центра. Окисление образовавшейся во время работы мышц молочной кислоты завершается уже после окончания работы. Кроме этого, усиление легочной вентиляции при мышечной работе обусловлено и рефлекторными влияниями.
Формирование дыхания специалиста в основных его структурных составляющих (внешнее дыхание, диффузия газов в легких и в тканях, транспорт газа кровью и клеточное дыхание) должно быть ориентировано на адаптацию специалиста к внешней среде в соответствии с изменением состояния организма.
Не отдельно взятые природные факторы определяют характер влияния внешней среды на дыхание, а их комплексное воздействие.
Например, для холодной арктической климатогеографической зоны специфическим является комплексное воздействие низкой температуры воздуха, ветра, снега (метель, пурга). Существенным моментом в формировании дыхания для этих условий является его тесная взаимосвязь с терморегуляцией организма.
Пустынные (аридные) условия характеризуются высокой температурой и низкой влажностью воздуха, его подвижностью и запыленностью; условия тропической зоны — высокими температурой и влажностью (что обусловливает снижение парциального давления кислорода в воздухе), а также повышенным содержанием в воздухе углекислого газа.
В высокогорной зоне определяющим фактором воздействия внешней среды на дыхание является пониженное атмосферное давление.
Поэтому способы и средства обеспечения дыхания зависят от уровня окислительных процессов, что отражается в классификации их делением по состояниям организма. Рассматриваемые способы и средства могут быть направлены либо на адаптацию (приспособление) дыхания к внешним условиям, т. е. быть направленными на организм, либо они могут обеспечивать изменение параметров внешних воздействий, ослабляя их неблагоприятное влияние на акт дыхания, см. рис. 2.9.
В последнем случае речь идет о способах защиты дыхания от неблагоприятных воздействий внешней среды с помощью технических средств (устройств).
В настоящее время наиболее полно разработаны и реализуются способы и средства формирования внешнего дыхания и дыхания в обмене газов в легких, а также способы защиты дыхания с помощью технических устройств:
• специальных фильтров, обладающих различной проницаемостью для кислорода и углекислого газа и предотвращающих угнетение дыхательного центра в условиях пониженного парциального давления углекислого газа;
• устройств тепловой рекуперации вдыхаемого и выдыхаемого воздуха;
• средств, обеспечивающих повышение кислородной емкости крови, выполняющих функции, аналогичные функциям гемоглобина;
• средств, обеспечивающих регулирование интенсивности процессов дыхания на тканевом и клеточном уровнях.
Рис. 2.9. Система организации дыхания
Представляют интерес также исследования различных систем дыхания (по Бутейко, по системе йогов и др.) с целью разработки системы тренировочных дыхательных упражнений, ориентированной на формирование произвольных и условно-рефлекторных навыков дыхания, обеспечивающих улучшение адаптации специалиста к различным условиям внешней среды.