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운동과 호흡계
1.호흡의 의미
호흡(respiration)은 대사에 필요한 산소(O2)를 조직까지 공급하고 이산화탄소(CO2)를 몸 밖으로 내보내는 일이라 할 수 있다. 따라서 넓은 의미의 호흡은 생리학적으로 다음의 4과정을 포함한다.
(1) 환기(vent1.ilation, breathing) ; 단순히 공기가 외부에서 폐포(alveoli)까지 들어오고 나가는 과정을 말함.
(2) 외호흡(exeternal respiration) ; 폐포-모세혈관막을 통한 폐포와 혈액사이의 가스교환. 이때 산소는 폐포에서 혈액으로, 이산화탄소는 혈액에서 폐포로 이동하게 된다.
(3)내호흡(internal respiration) ; 조직이나 세포에서의 가스교환. 이때 산소는 혈액에서 조직으로, 이산화탄소는 조직에서 혈액으로 이동하게 된다.
(4)호흡가스의 운반(transport of repiratiory gases) ; 혈액과 순환기계에 의해 이루어지며, 산소는 폐포에서 조직으로, 이산화탄소는 조직에서 폐포로 이동하게 된다.
그러므로 우리가 일반적으로 말하는 호흡은 위의 과정 중 환기에 국한된 것이며, 생리학적인 관점에서 넓은 의미의 호흡은 위의 4과정을 모두 일컬으며, 좁은 의미의 호흡은 외호흡과 내호흡 즉, 가스교환을 의미한다.
호흡 혹은 폐 기능은 운동 중 혈액 기체의 항상성 유지 즉, 산소와 이산화탄소의 분압에 중추적인 역할을 하며 운동 중 폐 기능을 이해하는 것은 운동생리학에서 매우 중요하다.
2. 호흡기의 구조와 기능
호흡기계 시스템 (respiratory system)의 근본적인 목적은 외부환경과 신체 사이의 가스 교환을 가능하게 하는 것이다. 이것을 통하여 많은 산소를 신체 조직에 제공하고 신체 조직에서 생성된 이산화탄소를 신체로부터 제거하게 된다. 폐와 혈액 사이의 산소와 이산화탄소 교환은 환기와 확산(diffussion)에 의해서 이루어진다. 환기는 폐에서 공기가 들어가고 나가는 역학적인 과정이라고 할 수 있으며, 확산은 분자의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것을 말한다. 그리고 호흡계는 과격한 운동을 하는 동안 산-염기 평형의 조절에 중요한 역할을 한다.
폐포는 산소의 농도가 모세혈관보다 월등히 높기 때문에 산소는 폐포에서 혈관으로 이동하고, CO2는 모세혈관이 폐포보다 높기 때문에 모세혈관에서 폐포로 이동한다. 세포와 모세혈관에서는 이와 반대가 된다. 세포 속의 CO2농도가 높고, O2의
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농도는 낮아서 이산화탄소는 세포에서 모세혈관으로 산소는 모세혈관에서 세포로 이동한다.
1) 호흡기계의 구조
인간의 호흡기계는 공기를 정화하고 폐로 공기를 이동시켜 폐포라고 불리우는 미세한 공기주머니 내에서 가스의 교환이 일어나게 하는 통로들로 구성되어있다.
호흡기계의 구조적 분류는 흉강 외부에 위치하는 upper respiratory tract인 코(nose), 비강(nasal cavity), 인두(pharynx), 후두(larynx)가 있으며, 흉강 내부에 위치하는 lower respiratory tract인 기관(trachea), 기관지(bronchus) 그리고 폐(lung) 등으로 이루어져 있다.
오른쪽과 왼쪽 폐는 가슴 세로칸(mediastinum)에 의해 나누어져 있으며, 흉막(pleura)으로 싸여있고, 흡입(inspiration)에 중요한 역할을 하는 횡격막(diaphragm)과 연결되어 안정적인 해부학적 위치를 가지고 있다.
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2) 호흡계의 기능적 분류
호흡계의 공기 통로는 기능학적으로 크게 conducting zone과 respiratory zone으로 나누어진다. Conducting zone은 단순히 공기를 이동시키는 통로인 모든 해부학적 구조(후두, 기관, 기관지)로 외호흡은 일어나지 않는다. 그리고 respiratory zone은 가스의 교환, 즉 외호흡이 일어나는 곳으로 conducting zone 이후의 부분을 말한다.
(1) Conducting zone
Conducting zone은 conductive zone 또는 해부학적 사강(anatomical dead space)라고도 한다. 여기에 해당하는 구조물들은 코(nose)와 비강(nasal cavity), 인두(pharynx)와 후두(larynx), 기관(trachea)과 좌우 기관지(bronchus), 세기관지(bronchioles), 말단 세기관지(terminal bronchiole) 등이다.
Conducting zone의 역할은 공기를 이동시키는 통로의 역할뿐만 아니라
respiratory zone으로 공기가 이동하는 동안 공기를 따뜻하게 하고 습기를 제공하며 공기를 정화하는 역할을 한다. 외부환경의 온도와 습도에 관계없이 따뜻하고 습기가 충분한 공기를 제공함으로써 체온을 보호하고 폐가 건조해지는 것을 막아준다.
(2) Respiratory zone
Respiratory zone은 conducting zone을 통과한 호흡가스의 교환이 일어나는 곳으로 호흡세기관지(respiratory bronchioles), 폐포관(alveolar duct), 및 폐포낭(alveolar sacs)을 포함하고 있다.
가스의 교환은 지름이 0.25-0.50mm 인 폐포에서 주로 이루어진다. 폐포는 효율적인 가스 교환을 위해 꽈리모양을 하고 있으며, 양쪽 폐의3억 개나 되는 폐포의 확산 면적은 무려 60-80㎡에 달한다.
3. 환기
1) 호흡 역학 (Mechanics of Breathing)
외부환경에서 폐포로의 공기 이동을 폐 호흡(pulmonary ventilation)이라고 하며, 이것은 bulk flow에 의해서 이루어진다. bulk flow란 통로 양쪽 끝의 압력차이에 의해서 분자들이 통로를 따라 이동하는 말한다. 흡기(inspiration)는 폐 내(intrapulmonary)의 압력이 외부환경의 압력보다 낮아질 때 공기가 폐로 이동하는 것이며, 호기(expiration)는 폐 내의 압력이 외부환경보다 높아지면서 공기가 외부환경으로 이동하는 것이다.
