운동과 훈련이 호흡계에 주는 영향

운동을 할 때 우리의 허파의 기능에는 어떤 변화가 일어날까?

오랜 기간에 걸친 계획적 훈련이 인체에 영향을 주는 요인은 다양하다. 그중 트레이닝에 따라 인체의 호흡계가 어떻게 적응하는지를 알아보려 한다. 환기당량, 허파 부피, 허파 용량, 허파 환기량, 환기 효율 등으로 나누어 살펴보자. 먼저 허파 환기량은 훈련이나 운동 후의 안정된 상태에서는 큰 변화가 없거나 오히려 약간 감소하며 상대적으로 동일한 정도의 최대하 운동 시에는 약간 감소하는 경향을 보인다. 여기에서 최대하 운동이란 최대보다는 낮은 강도의 운동을 지속해서 수행하는 운동을 이른다. 그러나 최대 운동을 할 때는 최대 환기량은 상당한 부분 증가하는데 비 훈련자는 트레이닝 전 허파 환기량이 분당 120L였던 것이 트레이닝 후에는 분당 약 150L까지 증가하는 것이 평균적이다. 트레이닝 후의 최대 환기량 증가는 주로 1회 환기량의 증가와 호흡수의 증가에 기인한다. 트레이닝한 뒤에는 안정상태와 최대하 운동 중에 호흡수가 감소하는 것이 일반적이다. 이와 같은 변화는 미미한 수준이고, 훈련에 의해서 호흡의 효율이 향상된 것을 반영하는 것뿐이다. 그러나 보통 최대 운동 뒤에는 호흡수가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.

허파 확산은 다른 말로는 폐 확산이라고 부르며 폐 안에서 일어나는 이산화탄소와 산소의 교환되는 과정을 이른다. 허파꽈리 안에서 진행되는 가스교환, 즉 허파 확산은 훈련 후의 안정적인 상태일 때와 상대적 동일 강도의 최대하 운동 때와는 변화가 없다. 그러나 최대 운동을 할 때는 허파 확산 능력이 향상된다. 허파의 혈류량은  트레이닝 후에 증가하는 것으로 보고된다. 특히 서 있거나 앉아있을 때의 폐의 윗부분으로 오는 혈류량이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이것이 허파 관류(perfusion)의 양을 증가시킨다. 다시 말해 가스교환을 위하여 더 많은 혈액이 폐로 들어오게 되고, 동시에 환기량이 증가하여 더 많은 공기가 허파 확산에 관여하게 된다는 것을 알 수 있다.  

한편, 조직에서 소비되는 일정량의 산소를 얻기 위한 환기량 사이의 비율은 환기 효율을 나타낸다. 이 비율은 산소의 환기당량(ventilation equivalent for oxygen)이라고 한다. 이것은 1L의 산소를 소비하는데 몇 L의 공기가 필요한가를 나타낸다. 안정상태일 때는 23~28리터 정도이고 이 수치는 걷기와 같은 운동을 할 때는 거의 변화가 없다. 그러나 운동강도가 최대에 가까워지면 30리터 이상이 된다. 그러나 일반적으로 환기당량은 운동강도의 넓은 범위에서 비교적 일관되게 유지되는 편이다. 이것은 호흡을 위한 인체의 조절 시스템이 체내에 필요한 산소량을 확보하기 위해 적절하게 대처하고 있는 것을 나타내는 지표이기도 하다.

일전에 언급한 것처럼 일반적으로 허파 부피와 허파 용량의 변화는 훈련 외에 성별이나 체중, 연령 등에 의해 결정된다. 허파활량은 약간 증가하나 온허파용량(TLC)은 변화가 없다. 기능적으로 남은 공기량, 남은 용량, 온허파용량에 대한 남은 공기량의 비율은 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 지구력 트레이닝 후 1회 환기량은 별다른 변화가 없지만 최대 한계의 운동을 하면 증가하게 된다. 또한, 지속적인 트레이닝을 한다고 해도 동맥혈의 산소농도는 거의 변화하지 않는다. 총 Hb의 양은 증가하여도 단위 혈액 안에 포함되어 있는 Hb의 양은 같거나 감소하기까지 한다. 동정맥의 산소 차이는 트레이닝을 하면 늘어난다. 동맥과 정맥의 산소 차가 증가하는 이유는 훈련하면 혼합 정맥혈의 산소의 농도가 낮아지기 때문이다. 이는 즉 심장으로 돌아오는 혈액의 산소 농도가 훈련자가 비 훈련자보다 적게 포함되어 있음을 의미한다. 또한 조직에서 보다 많은 산소를 추출하여 쓰고, 혈액을 더욱 효율적으로 나누는 것을 반영하는 것이라고 할 수 있다. 인체는 훈련하면 환기 효율이 향상하며 환기 효율이 높다는 것은 곧 동일한 산소 소비 수준에서 환기량이 적다는 것을 뜻하는데, 이는 상대적으로 적은 양의 환기량으로도 동일한 수준의 운동을 수행할 수 있다는 것을 의미한다.

운동으로 인한 노력성 폐활량, 최대 노력호흡(MVV, maximal voluntary ventilation) 등의 변화에 대해 많은 연구가 있지만 일반적으로 미약하게 증가하는 경향이 있다는 결과가 있다. 노력성 폐활량은 개인의 운동수행 능력과 높은 상관관계가 있다. 프로 운동선수는 일반인에 비하여 큰 노력성 폐활량을 가지고, 특히 달리기 선수가 가장 크게 나타난다. 트레이닝에 의한 노력성 폐활량의 증가는 가로막 호흡근이나 갈비 폐 호흡근 등의 커짐에 의하여 일어나는 현상이다. 날숨을 할 수 있는 능력과 폐 속의 전반적인 공기의 움직임에 대한 저항을 나타내는 1초간의 노력성 날숨 폐활량은 운동선수집단이 비운동선수 집단에 비하여 크다고  두 집단 간에 이렇다 할 유의미한 차이가 나는 것은 아니었다. 최대 노력호흡은 동적인 폐의 환기 능력을 가장 잘 평가할 수 있는 지표이다. 전반적으로 호흡계통은 적당한 양의 산소를 인체 안으로 받아들일 수 있도록 잘 적응한다. 그래서 호흡계통이 지구력 운동 수행 능력을 제한하는 경우는 거의 없으며, 호흡계통에서 이루어지는 훈련에 대한 주요 적응 기제들은 다른 모든 신체 시스템이 최대 한계치로 밀어붙여지게 되는 최대 운동 중에서도 뚜렷하게 두각을 나타낸다.

운동강도가 점진적으로 증가하다가 어떤 한계점에 이르면 환기량이 산소섭취량에 비례하여 증가하는 것을 벗어나 갑자기 급상승하는데, 그 지점을 환기 문턱값(ventilation threshold)이라고 한다. 운동강도가 환기 문턱값과 같아지는 지점을 초과하면 혈액에 더 많은 양의 젖산이 관찰된다. 이러한 현상은 젖산이 만들어지기 시작하거나 젖산의 제거율이 하락하면 발생한다. 이 젖산은 산을 완충시키는 중탄산염나트륨, 물, 이산화탄소를 만들어낸다. 이산화탄소의 증가는 들숨 중추에 호흡을 증가시키라는 지시를 보내는 화학수용기를 자극하며 환기 문턱값은 이산화탄소의 증가에 대한 호흡기관의 반응을 나타낸다. 즉, 환기 문턱값을 넘어서면 환기량이 급격하게 올라간다.