22.6: تعديلات في وظائف الجهاز التنفسي
- Page ID
- 203211
أهداف التعلم
- حدد مصطلحي فرط التنفس وفرط التنفس
- وصف تأثير التمرين على الجهاز التنفسي
- وصف تأثير الارتفاع العالي على الجهاز التنفسي
- ناقش عملية التأقلم
في حالة الراحة، يؤدي الجهاز التنفسي وظائفه بوتيرة ثابتة وإيقاعية، كما تنظمها المراكز التنفسية في الدماغ. بهذه الوتيرة، توفر التهوية كمية كافية من الأكسجين لجميع أنسجة الجسم. ومع ذلك، هناك أوقات يجب أن يغير فيها الجهاز التنفسي وتيرة وظائفه من أجل تلبية متطلبات الأكسجين في الجسم.
ضيق التنفس
فرط التنفس هو زيادة عمق ومعدل التهوية لتلبية زيادة الطلب على الأكسجين كما يمكن رؤيته في ممارسة الرياضة أو المرض، وخاصة الأمراض التي تستهدف الجهاز التنفسي أو الجهاز الهضمي. هذا لا يغير بشكل كبير مستويات الأكسجين في الدم أو ثاني أكسيد الكربون، ولكنه يزيد فقط من عمق ومعدل التهوية لتلبية طلب الخلايا. في المقابل، فإن فرط التنفس هو معدل تهوية متزايد مستقل عن احتياجات الأكسجين الخلوي ويؤدي إلى انخفاض غير طبيعي في مستويات ثاني أكسيد الكربون في الدم وارتفاع درجة الحموضة (القلوية) في الدم.
ومن المثير للاهتمام أن التمارين الرياضية لا تسبب فرط التنفس كما قد يظن المرء. تزيد العضلات التي تؤدي العمل أثناء التمرين من طلبها على الأكسجين، مما يحفز زيادة التهوية. ومع ذلك، يبدو أن فرط التنفس أثناء التمرين يحدث قبل حدوث انخفاض في مستويات الأكسجين داخل العضلات. لذلك، يجب أن يكون فرط التنفس مدفوعًا بآليات أخرى، إما بدلاً من أو بالإضافة إلى انخفاض مستويات الأكسجين. الآليات الدقيقة وراء فرط التنفس أثناء ممارسة الرياضة ليست مفهومة جيدًا، وبعض الفرضيات مثيرة للجدل إلى حد ما. ومع ذلك، بالإضافة إلى انخفاض الأكسجين، وارتفاع ثاني أكسيد الكربون، وانخفاض مستويات الحموضة، يبدو أن هناك تفاعلًا معقدًا للعوامل المتعلقة بالجهاز العصبي والمراكز التنفسية في الدماغ.
أولاً، يؤدي القرار الواعي بالمشاركة في التمارين الرياضية، أو أي شكل آخر من أشكال المجهود البدني، إلى تحفيز نفسي قد يحفز المراكز التنفسية في الدماغ لزيادة التهوية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحفيز المراكز التنفسية في الدماغ من خلال تنشيط الخلايا العصبية الحركية التي تعصب مجموعات العضلات المشاركة في النشاط البدني. أخيرًا، يحفز المجهود البدني المستقبلات، وهي مستقبلات تقع داخل العضلات والمفاصل والأوتار، والتي تستشعر الحركة والتمدد؛ وبالتالي تخلق المستقبلات اللولبية حافزًا قد يؤدي أيضًا إلى تحفيز المراكز التنفسية في الدماغ. تتوافق هذه العوامل العصبية مع الزيادة المفاجئة في التهوية التي يتم ملاحظتها فور بدء التمرين. نظرًا لأن مراكز الجهاز التنفسي يتم تحفيزها بواسطة المدخلات النفسية والعصبية الحركية والمسببة طوال التمرين، فإن حقيقة وجود انخفاض مفاجئ في التهوية فور انتهاء التمرين عندما تتوقف هذه المنبهات العصبية، تدعم أيضًا فكرة أنهم متورطون في مما أدى إلى تغييرات التهوية.
تأثيرات الارتفاع العالي
تؤدي الزيادة في الارتفاع إلى انخفاض الضغط الجوي. على الرغم من أن نسبة الأكسجين بالنسبة للغازات في الغلاف الجوي لا تزال عند 21 بالمائة، إلا أن ضغطه الجزئي ينخفض (الجدول\(\PageIndex{1}\)). ونتيجة لذلك، يصعب على الجسم تحقيق نفس مستوى تشبع الأكسجين على ارتفاعات عالية مقارنة بالارتفاع المنخفض، بسبب انخفاض الضغط الجوي. في الواقع، يكون تشبع الهيموجلوبين أقل على ارتفاعات عالية مقارنة بتشبع الهيموجلوبين عند مستوى سطح البحر. على سبيل المثال، يبلغ تشبع الهيموجلوبين حوالي 67 بالمائة عند 19000 قدم فوق مستوى سطح البحر، بينما يصل إلى حوالي 98 بالمائة عند مستوى سطح البحر.
طاولة\(\PageIndex{1}\)
الضغط الجزئي للأكسجين على ارتفاعات مختلفة | |||
---|---|---|---|
موقع المثال | الارتفاع (بالأقدام فوق مستوى سطح البحر) | الضغط الجوي (ملم زئبق) | الضغط الجزئي للأكسجين (ملم زئبق) |
مدينة نيويورك، نيويورك | 0 | 760 | 159 |
بولدر، كولورادو | 5000 | 632 | 133 |
أسبن، كولورادو | 8000 | 565 | 118 |
بايك بيك، كولورادو | 14,000 | 447 | 94 |
دينالي (جبل. ماكينلي)، ألاسكا | 20,000 | 350 | 73 |
طن متري. ايفرست، التبت | 29,000 | 260 | 54 |
كما تتذكر، فإن الضغط الجزئي مهم للغاية في تحديد كمية الغاز التي يمكن أن تعبر الغشاء التنفسي وتدخل دم الشعيرات الدموية الرئوية. يعني الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين وجود فرق أقل في الضغوط الجزئية بين الحويصلات الهوائية والدم، وبالتالي فإن كمية أقل من الأكسجين تعبر الغشاء التنفسي. ونتيجة لذلك، يتم ربط عدد أقل من جزيئات الأكسجين بالهيموجلوبين. على الرغم من ذلك، لا تزال أنسجة الجسم تتلقى كمية كافية من الأكسجين أثناء الراحة على ارتفاعات عالية. هذا يرجع إلى آليتين رئيسيتين. أولاً، عدد جزيئات الأكسجين التي تدخل الأنسجة من الدم يساوي تقريبًا بين مستوى سطح البحر والارتفاعات العالية. عند مستوى سطح البحر، يكون تشبع الهيموجلوبين أعلى، ولكن يتم إطلاق ربع جزيئات الأكسجين فقط في الأنسجة. على ارتفاعات عالية، يتم إطلاق نسبة أكبر من جزيئات الأكسجين في الأنسجة. ثانيًا، على ارتفاعات عالية، يتم إنتاج كمية أكبر من BPG بواسطة كريات الدم الحمراء، مما يعزز تفكك الأكسجين عن الهيموجلوبين. يمكن أن يؤدي المجهود البدني، مثل التزلج أو المشي لمسافات طويلة، إلى مرض الارتفاع بسبب انخفاض كمية احتياطيات الأكسجين في الدم على ارتفاعات عالية. على مستوى سطح البحر، توجد كمية كبيرة من احتياطي الأكسجين في الدم الوريدي (على الرغم من أن الدم الوريدي يُعتقد أنه «غير مؤكسج») يمكن للعضلات أن تستمد منه أثناء المجهود البدني. نظرًا لأن تشبع الأكسجين يكون أقل بكثير عند الارتفاعات العالية، فإن هذا الاحتياطي الوريدي صغير، مما يؤدي إلى أعراض مرضية لانخفاض مستويات الأكسجين في الدم. ربما سمعت أنه من المهم شرب المزيد من الماء عند السفر على ارتفاعات أعلى مما اعتدت عليه. هذا لأن جسمك سيزيد من التبول (التبول) على ارتفاعات عالية لمواجهة آثار انخفاض مستويات الأكسجين. عن طريق إزالة السوائل، تنخفض مستويات بلازما الدم ولكن ليس العدد الإجمالي للكريات الحمراء. بهذه الطريقة، يزداد التركيز الكلي للكريات الحمراء في الدم، مما يساعد الأنسجة على الحصول على الأكسجين الذي تحتاجه.
مرض الجبال الحاد (AMS)، أو مرض الارتفاع، هو حالة تنتج عن التعرض الحاد للارتفاعات العالية بسبب الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين على ارتفاعات عالية. يمكن أن يحدث AMS عادةً على ارتفاع 2400 متر (8000 قدم) فوق مستوى سطح البحر. AMS هو نتيجة لانخفاض مستويات الأكسجين في الدم، حيث يعاني الجسم من صعوبة حادة في التكيف مع الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين. في الحالات الخطيرة، يمكن أن يسبب AMS الوذمة الرئوية أو الدماغية. تشمل أعراض AMS الغثيان والقيء والتعب والدوار والنعاس والشعور بالارتباك وزيادة النبض ونزيف الأنف. العلاج الوحيد لـ AMS هو النزول إلى ارتفاع أقل؛ ومع ذلك، يمكن للعلاجات الدوائية والأكسجين التكميلي تحسين الأعراض. يمكن منع AMS عن طريق الصعود ببطء إلى الارتفاع المطلوب، مما يسمح للجسم بالتأقلم، وكذلك الحفاظ على الترطيب المناسب.
تأقلم
خاصة في الحالات التي يحدث فيها الصعود بسرعة كبيرة، يمكن أن يتسبب السفر إلى مناطق ذات ارتفاعات عالية في حدوث AMS. التأقلم هو عملية التعديل التي يقوم بها الجهاز التنفسي بسبب التعرض المزمن للارتفاع العالي. على مدى فترة من الزمن، يتكيف الجسم لاستيعاب الضغط الجزئي السفلي للأكسجين. يؤدي الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين على ارتفاعات عالية إلى انخفاض مستوى تشبع الأكسجين للهيموغلوبين في الدم. في المقابل، تكون مستويات الأكسجين في الأنسجة أقل أيضًا. ونتيجة لذلك، يتم تحفيز الكلى لإنتاج هرمون الإريثروبويتين (EPO)، الذي يحفز إنتاج كريات الدم الحمراء، مما يؤدي إلى زيادة عدد كريات الدم الحمراء المتداولة في الفرد على ارتفاع عالٍ على مدى فترة طويلة. مع وجود المزيد من خلايا الدم الحمراء، يوجد المزيد من الهيموجلوبين للمساعدة في نقل الأكسجين المتاح. على الرغم من وجود تشبع منخفض لكل جزيء هيموغلوبين، سيكون هناك المزيد من الهيموجلوبين، وبالتالي المزيد من الأكسجين في الدم. بمرور الوقت، يسمح هذا للشخص بالمشاركة في المجهود البدني دون تطوير AMS.
مراجعة الفصل
عادةً ما تحافظ المراكز التنفسية في الدماغ على دورة تنفس متسقة وإيقاعية. ومع ذلك، في بعض الحالات، يجب أن يتكيف الجهاز التنفسي مع التغيرات الظرفية من أجل تزويد الجسم بالأكسجين الكافي. على سبيل المثال، تؤدي التمارين الرياضية إلى زيادة التهوية، ويؤدي التعرض المزمن للارتفاعات العالية إلى زيادة عدد كريات الدم الحمراء المتداولة. يبدو أن فرط التنفس، وهو زيادة في معدل التهوية وعمقها، هو دالة لثلاث آليات عصبية تشمل التحفيز النفسي وتنشيط الخلايا العصبية الحركية للعضلات الهيكلية وتنشيط المستقبلات في العضلات والمفاصل والأوتار. ونتيجة لذلك، يبدأ فرط التنفس المرتبط بالتمرين عند بدء التمرين، على عكس عندما يزداد الطلب على الأكسجين في الأنسجة فعليًا.
في المقابل، يؤدي التعرض الحاد للارتفاعات العالية، خاصة في أوقات المجهود البدني، إلى انخفاض مستويات الأكسجين في الدم والأنسجة. يحدث هذا التغيير بسبب الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين في الهواء، لأن الضغط الجوي على ارتفاعات عالية أقل من الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. يمكن أن يؤدي هذا إلى حالة تسمى مرض الجبال الحاد (AMS) مع أعراض تشمل الصداع والارتباك والتعب والغثيان والدوار. على مدى فترة طويلة من الزمن، سيتكيف جسم الشخص مع الارتفاع العالي، وهي عملية تسمى التأقلم. أثناء التأقلم، سيؤدي انخفاض مستويات الأكسجين في الأنسجة إلى إنتاج الكلى بكميات أكبر من هرمون الإريثروبويتين، الذي يحفز إنتاج كريات الدم الحمراء. توفر المستويات المتزايدة من كريات الدم الحمراء المتداولة كمية متزايدة من الهيموجلوبين الذي يساعد على تزويد الفرد بمزيد من الأكسجين، مما يمنع أعراض AMS.
مراجعة الأسئلة
س: زيادة التهوية التي تؤدي إلى زيادة درجة الحموضة في الدم تسمى ________.
أ. فرط التنفس
ب. ضيق التنفس
ج. التأقلم
د. توقف التنفس
الإجابة: أ
س: يمكن أن تؤدي التمارين الرياضية إلى ظهور أعراض AMS بسبب أي مما يلي؟
أ. انخفاض الضغط الجزئي للأكسجين
B. الضغط الجوي المنخفض
C. إشارات عصبية غير طبيعية
D. احتياطي وريدي صغير من الأكسجين
الإجابة: د
س: أي مما يلي يحفز إنتاج كريات الدم الحمراء؟
أ. آدامز
B. ارتفاع مستويات الدم من ثاني أكسيد الكربون
C. الضغط الجوي المنخفض
د. إرثروبويتين
الإجابة: د
أسئلة التفكير النقدي
س: وصف العوامل العصبية المشاركة في زيادة التهوية أثناء التمرين.
ج: هناك ثلاثة عوامل عصبية تلعب دورًا في زيادة التهوية التي لوحظت أثناء التمرين. نظرًا لأن هذه التهوية المتزايدة تحدث في بداية التمرين، فمن غير المحتمل أن تكون مستويات الأكسجين في الدم وثاني أكسيد الكربون فقط هي المعنية. العامل العصبي الأول هو الحافز النفسي لاتخاذ قرار واعي بممارسة الرياضة. العامل العصبي الثاني هو تحفيز تنشيط الخلايا العصبية الحركية بواسطة عضلات الهيكل العظمي، التي تشارك في التمرين. العامل العصبي الثالث هو تنشيط المستقبلات الموجودة في العضلات والمفاصل والأوتار التي تحفز النشاط في مراكز الجهاز التنفسي.
س: ما هي الآلية الرئيسية التي تؤدي إلى التأقلم؟
ج: إحدى الآليات الرئيسية المشاركة في التأقلم هي زيادة إنتاج كريات الدم الحمراء. يؤدي انخفاض مستويات الأكسجين في الأنسجة إلى تحفيز الكلى لإنتاج هرمون الإريثروبويتين، الذي يرسل إشارات لنخاع العظام لإنتاج كريات الدم الحمراء. ونتيجة لذلك، فإن الأفراد الذين يتعرضون للارتفاع العالي لفترات طويلة من الزمن لديهم عدد أكبر من كريات الدم الحمراء المتداولة مقارنة بالأفراد على ارتفاعات منخفضة.
مسرد المصطلحات
- مرض الجبال الحاد (AMS)
- الحالة التي تحدث نتيجة التعرض الحاد للارتفاعات العالية بسبب الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين
- أقلمة
- عملية التعديل التي يقوم بها الجهاز التنفسي بسبب التعرض المزمن للارتفاعات العالية
- ضيق التنفس
- زيادة معدل وعمق التهوية بسبب زيادة الطلب على الأكسجين الذي لا يغير بشكل كبير مستويات الأكسجين في الدم أو ثاني أكسيد الكربون
- فرط تهوية
- زيادة معدل التهوية الذي يؤدي إلى انخفاض غير طبيعي في مستويات ثاني أكسيد الكربون في الدم وارتفاع درجة الحموضة (القلوية) في الدم