호흡계통과 운동

호흡은 산소를 공급하고 이산화탄소를 배출하여 생명을 유지하고 에너지 대사를 가능하게하는 생명 유지의 근본 과정이다

호흡계통은 허파와 숨이 들어가고 나오는 길을 말하며 기능적으로는 호흡 영역(respiratory zone)과 전도 영역(conducting zone)으로 구분된다. 전도 영역은 종말세기관지에서 위 숨길까지를 이르는데, 이 부분은 공기가 오가는 통로 역할만 한다. 이 영역에서는 가스교환은 일어나지 않아 해부학적으로는 사강(dead space)을 형성하고, 기관지동맥으로부터 혈액을 공급받는데, 종말세기관지에서 더 세분되는 가지에는 꽈리 주머니가 관찰되며 허파꽈리를 둘러싸고 있는 모세혈관 그물을 통하여 가스교환이 일어난다. 호흡은 가스교환 과정에 의하여 혈액 속에 있는 이산화탄소가 없어지고 혈액이 첨가되는 것을 말한다. 환기(ventilation)는 실질적인 가스교환이 일어나는 허파의 끝부분까지 공기가 이동하는 것이다. 심장혈관과 관련된 조직과 호흡의 전반적인 시스템이 함께 움직인 결과 산소를 운반하고 조직으로부터 이산화탄소를 제거하는 효율적인 운반 과정을 형성한다.

위에서 설명한 운반시스템에는 크게 4가지 과정으로 이루어진다. 첫째, 허파 환기 즉, 호흡은 공기가 폐로 들어가고 허파에서 밖으로 배출되는 가스의 움직임을 말하는 것이다. 둘째, 허파 확산은 혈액과 허파 사이의 가스교환을 의미한다. 셋째, 혈액을 통해 산소와 이산화탄소를 운반한다. 마지막으로 모세혈관에서의 확산은 모세혈관과 더불어 대사적으로 활동하는 조직 사이에서 이루어지는 가스교환을 의미한다. 위의 두 과정인 허파 환기와 허파 확산을 바깥 호흡(external respiration)이라고 하고, 마지막 두 과정은 속 호흡(internal respiration)을 뜻한다. 

역학적인 관점에서 공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게된다. 이와 같은 원리에 의해 숨을 들이마시려면 허파 속의 압력이 대기의 압력보다 낮아야 하고, 숨을 내쉬려면 폐 속의 압력을 대기 압력보다 높게 만들어야한다. 허파속압력을 대기압보다 낮게만드는 방법으로는 정상호흡 또는 음압호흡이 있다. 반대로 대기압력을 허파 속의 압력보다 높게 만드려면 임상에서 실시하는 호흡기에 의한 양압호흡이 여기에 들어갈 수 있다. 사람이 호흡을 할 때 들숨근육이 축소되면 가슴우리를 늘려 허파 속의 압력으 낮춘다. 원래는 대기 압력보다 가슴막안압력(intrapleural pressure)은 대기압력보다 낮게 유지하고 있는데, 이를 더 낮게 만들어 허파를 가슴바깥쪽으로 늘어나게 함으로써 폐 안의 압력을 대기압력보다 낮게 만든다. 그렇게 되면 공기는 숨길을 통해 허파꽈리로 빨려 들어가는 것이다. 

들숨 작용의 원리는 다음과 같다. 먼저 들숨을 할 때에 인체는 가슴우리를 크게 만든다. 가로막은 아래로 내려가고 바깥갈비사이근은 수축하여 바깥위쪽으로 올라가 가슴우리의 부피를 증가시킨다. 들숨의 주동근인 가로막이 가로막신경의 흥분에 의하여 줄어들면 가슴우리쪽으로 양옆으로 볼록하게 올라가있던 모양을 한 곳이 복부 안쪽부분으로 내려가면서 평탄해진다. 바깥갈비사이근은 갈비뼈 바깥쪽에 위치하는데, 숨을 들이마시는 동안 수축하며 갈비뼈를 벌리는 동시에 위쪽으로 끌어올려 가슴 안의 크기를 크게만든다. 허파가 팽창하기 시작하면 허파 속 압력이 감소되어 공기가 폐 안으로 흡입되는 것이다. 다시 말해, 들숨 시에는 허파와 가슴우리의 용적이 증가해 허파 속이 음압이 되기 때문에 공기가 빨려들어가는것이다.

반대로 날숨의 과정과 원리를 설명하자면 다음과 같다. 안정 상태에서 날숨을 내쉴 때에는 가로막과 바깥갈비사이근이 이완되어서 가슴 안은 원래 크기로 되돌아간다.날숨과 관련된 근육은 안정상태에서는 관여하지 않는 수동적인 방향으로 진행되는 반면, 운동을 할 때에는 날숨작용이 상대적으로 능동적으로 이루어진다. 안정상태에서는 날숨으로 비롯된 가슴벽과 허파 조직에 의해 원래 상태로 위축되어 가슴 속 압력이 올라가고, 이 때문에 공기가 대기로 방출된다. 날숨시의 기본 원리는 허파 용량이 감소되어 허파 속의 공기가 밖으로 밀려나오는 것이다. 반면 운동을 할 때에는 배근육의 참여도가 높아지는데, 배근육이 수축하여 아래에 있는 갈비뼈들을 압박하고 배압력이 상승하여 가로막을 가슴안쪽으로 올리게 된다.

이렇게 호흡한 공기는 실제 호흡이 관여하는 허파환기와 단순 호흡경로인 사강(무용공간)으로 구분되고, 기준에 따라 허파의 부피와 허파용량 또는 기능적인 환기량 등으로 작용이 구분될 수 있다. ‘분당환기량’이라는 용어가 흔히 쓰이는데, 이는 1분동안 들이마시고 내쉬는 공기의 물리적인 양을 의미하며, 이를 측정할 때에는 편의상 날숨의 양을 측정하게 된다. 따라서 분당환기량은 1회호흡량과 분당호흡수에 의해 결정된다. 안정적인 환기량은 사람마다 차이는 있겠으나, 약 분당 6리터 정도이다. 안정분당호흡수는 약 12회 정도이며, 1회 호흡량은 약 0.5리터로 보고된다. 장기적인 지구력 운동을 수행한다고 했을 때, 성인 남성의 최대환기량은 분당 약 90리터내외이고 여성의 경우 분당 약 45~80리터 수준이다. 그러나 운동을 하는 사람의 최대환기량은 남성이 분당 약 180리터, 여성이 분당 약 130리터까지 올라갈 수 있다. 허파부피와 허파용량은 성별과 체격, 신체운동의 빈도와 강도, 연령 등의 여부에 따라서 달라질 수 있다. 앞서 말한 기능적 환기용량은 호흡을 할 때 기관지 속의 공기흐름을 측정해서 분석하면 허파의 기능에 대한 중요한 내용을 알아볼 수 있는데 이러한 항목은 실질적인 의미를 가진다. 기능적 환겨용량은 노력날술허파활량이나 최대노력호흡을 측정함으로써 얻을 수 있다.