Физиология дыхания

Дыхательные упражнения хатха-йоги по-разному влияют на дыхание, но прежде, чем мы сможем понять, как это происходит, нам придется немного обновить наши познания. Мы начнем обсуждение с оценки объемов воздуха, которые находятся в легких и дыхательных путях в разные фазы дыхательного цикла. Эти величины – легочные объемы, емкости и анатомическое мертвое пространство – варьируют в зависимости от телосложения, возраста, пола и привычек, поэтому для упрощения мы будем использовать округленные значения, характерные для здорового молодого мужчины. Эти величины меньше у женщин, пожилых людей обоего пола и людей, страдающих хроническими заболеваниями. Сейчас для нас это несущественно. Наш главный интерес заключается в том, как изменяются легочные объемы и емкости в зависимости от техники дыхания и поз.

Легочные объемы, емкости и анатомическое мертвое пространство

Существует четыре легочных объема (рис. 2.13). Мы начнем с дыхательного объема, то есть с количества воздуха, которое поступает в легкие на вдохе и выходит из него во время выдоха за один дыхательный цикл. В учебниках пишут, что этот объем у молодого здорового человека равен приблизительно 500 мл при спокойном дыхании, но он зависит от многих обстоятельств: если мы поднимаемся по лестнице, то дыхательный объем будет больше, чем если мы сидим на стуле. Резервный объем вдоха, равный приблизительно 3,3 л, – это дополнительный объем воздуха, который можно вдохнуть после вдыхания дыхательного объема. Резервный объем выдоха, равный приблизительно 1000 мл, – это дополнительный объем, который можно выдохнуть после выдоха дыхательного объема. Остаточный объем, равный приблизительно 1200 мл, – это количество воздуха, остающегося в легких после максимально возможного выдоха.

Легочные емкости, которых тоже четыре, представляют собой сочетания легочных объемов (см. рис. 2.13). Во-первых, это жизненная емкость легких – общее количество воздуха, которое можно вдохнуть и выдохнуть; она в среднем равна 4800 мл и является суммой дыхательного объема и резервных объемов вдоха и выдоха. То есть это самое лучшее определение йоговского совершенного дыхания и важный показатель функции дыхания.

Рис. 2.13. Четыре легочных объема (слева) и четыре легочных емкости (справа). Емкости – это комбинации двух или более объемов. Все данные представляют собой средние величины, характерные для молодых здоровых мужчин

Во-вторых, это общая емкость легких, название которой говорит само за себя. У здорового молодого человека общая емкость легких достигает 6000 мл и представляет собой сумму всех легочных объемов, или, другими словами, сумму жизненной емкости и остаточного объема.

В-третьих, емкость вдоха – это общее количество воздуха, которое вы можете вдохнуть вместе с дыхательным объемом. Это ограничивающая формулировка йоговского совершенного дыхания, которое и является суммой дыхательного объема и резервного объема вдоха (около 3800 мл).

В-четвертых, функциональная остаточная емкость (2200 мл) – это сочетание остаточной емкости и резервного объема выдоха. Как следует из названия, это особенно важная для практики величина – количество воздуха в легких в конце нормального выдоха, количество, которое смешается со свежим воздухом, поступившим в легкие на вдохе. Это, как правило, довольно большая величина, она более чем в четыре раза превосходит величину дыхательного объема, равного 500 мл. При дыхании через сложенные бантиком губы, которое мы обсудили выше, эта величина сильно снижается, а это значит, что свежая порция насыщенного кислородом воздуха смешается в легких с меньшим объемом воздуха, бедного кислородом. В этом и заключается польза от подобного дыхания.

Легочные объемы и емкости значительно различаются в разных позах и практиках хатха-йоги. Например, агни сара (см. главу 3) практически исключает резервный объем выдоха и увеличивает дыхательный объем с 500 до иногда 1600 мл (см. рис. 3.31–3.33); перевернутые позы (см. главу 8 и 9) уменьшают резервный объем выдоха и сдвигают дыхательный объем в сторону остаточного объема; дыхание по типу кузнечного меха, которое мы подробнее обсудим ниже в этой главе, сводит к минимуму дыхательный объем.

Анатомическое мертвое пространство – это еще один чрезвычайно важный показатель. Оно включает заполненные воздухом пространства следующих дыхательных путей: носовых ходов, глотки, гортани, трахеи, правого и левого главных бронхов и ветвей бронхиального дерева, ведущих в альвеолы. Это пространство называют мертвым, потому что находящийся в нем воздух не участвует в газообмене, то есть не отдает кислород в кровь и не забирает оттуда двуокись углерода. Обычно объем этого пространства принимают за 150 мл, так что из дыхательного объема, равного 500 мл, только 350 мл свежего воздуха доходят до альвеол. Вы сразу поймете, о чем идет речь, если вспомните дыхание через трубку при плавании в маске. Если объем трубки составляет 100 мл, то объем мертвого пространства возрастает со 150 до 250 мл, то есть вам приходится всасывать через наружный конец трубки 600 мл воздуха, чтобы в альвеолы попало 350 мл, и вы рискуете впасть в отчаяние, прежде чем поймете, что вам надо просто изменить глубину дыхания, увеличив дыхательный объем. Клиническое значение анатомического мертвого пространства часто окрашено в мрачные тона: у больных эмфиземой легких в терминальном состоянии объем мертвого пространства иногда приближается к жизненной емкости легких, а иногда и превышает ее.

Альвеолярная и минутная вентиляция

Минутная вентиляция – это объем воздуха, который мы вдыхаем и выдыхаем в течение одной минуты, или 60 секунд. Все, что надо сделать для того, чтобы рассчитать минутный объем, – это умножить дыхательный объем на число дыхательных движений в течение одной минуты. Как пишут в учебниках, надо умножить 500 мл на 12 дыхательных движений в одну минуту, и в результате мы получим 6000 мл в одну минуту.

Минутная вентиляция не говорит нам всего, что мы хотели бы знать, потому что самое важное – это не количество воздуха, которое перемещается во рту или в носовых ходах из легких и в легкие, а количество воздуха, которое минует анатомическое мертвое пространство и попадает в альвеолы. Это количество можно соотнести с периодом времени в одну минуту и назвать альвеолярной вентиляцией. Это основная величина, которую надо знать для того, чтобы оценить, как дыхание влияет на содержание кислорода и двуокиси углерода в крови, а значит, и оценить эффективность дыхательной гимнастики йогов. Для того чтобы рассчитать альвеолярную вентиляцию, надо вычесть объем анатомического мертвого пространства из дыхательного объема, прежде чем умножить эту величину на частоту дыхания. Например, 500 мл дыхательного объема минус 150 мл анатомического мертвого пространства равно 350 мл на одно дыхательное движение, а умножив 350 на 12, мы получим величину альвеолярной вентиляции, равную 4200 мл в одну минуту.

Приведенные здесь данные о легочных объемах и емкостях, а также данные о минутной и альвеолярной вентиляции являются лишь среднестатистическими величинами; люди нередко дышат чаще и вдыхают меньше воздуха за одно дыхательное движение. Если вы понаблюдаете за дюжиной разных людей и посчитаете, сколько раз в минуту люди совершают дыхательные движения, то увидите, что дышат они не 12 раз в одну минуту, а чаще. Нередко можно насчитать и 24, и 30 дыхательных движений в одну минуту. В этом нет ничего страшного, потому что организм регулирует дыхательный объем так, чтобы альвеолярная вентиляция все время оставалась в пределах нормы (рис. 2.14). Во время медитации число дыхательных движений в минуту обычно уменьшается, но в принципе может значительно варьировать. В этих случаях частота дыхания и дыхательный объем тоже регулируются так, чтобы альвеолярная вентиляция соответствовала метаболическим потребностям практики.

Рис. 2.14. Три типа дыхания с одинаковыми показателями альвеолярной вентиляции. Численные величины являются средними для здорового молодого мужчины

Концентрации газов в атмосфере, альвеолах и крови

Задача внешнего дыхания заключается в том, чтобы доставить кислород из атмосферного воздуха в клетки и выделить в атмосферу двуокись углерода, образующуюся в клетках в ходе метаболизма. Этими процессами управляют законы диффузии и разность давлений газов в разных частях организма. Вот как это работает: газ движется из области его высокой концентрации (давления) в область низкой концентрации (давления). Грубо говоря, нечто подобное происходит и в организме. Концентрация (или, если угодно, давление) кислорода в атмосфере больше, чем в альвеолах, в альвеолах больше, чем в артериальной крови, а там больше, чем в клетках, которые потребляют доставленный им кислород. Точно так же можно сказать, что концентрация (давление) углекислого газа (двуокиси углерода) велика вблизи клеток, которые его выделяют, несколько меньше в венах и альвеолах, а в атмосфере концентрация углекислого газа приближается к нулю.

Стандартная мера атмосферного давления – миллиметры ртутного столба (мм Hg), то есть высота столба ртути, имеющего такой же вес, как и столб газа, простирающийся от поверхности Земли до стратосферы. Другими словами, если мы подумаем о себе как об обитателях дна воздушного океана, то вес столба воздуха над нашими головами равен весу столба ртути такого же диаметра, но высотой всего в 760 мм. Мы пользуемся этой единицей измерения множества величин: атмосферного давления; парциального давления составляющих атмосферу газов – азота, кислорода и других; повышения давления кислорода и снижения давления углекислого газа в альвеолах; давления (содержания) кислорода и углекислого газа в крови.

Атмосферное давление уменьшается с высотой над уровнем моря. На уровне моря атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., этот общий показатель складывается из давления кислорода (150 мм рт. ст.), азота (580 мм рт. ст.) и водяных паров (около 30 мм рт. ст.). Последний показатель зависит от влажности. На вершине пика Пайка в Колорадо атмосферное давление равно 450 мм рт. ст. (давление кислорода 83 мм рт. ст.), на вершине Эвереста в Гималаях – 225 мм рт. ст. (давление кислорода 42 мм рт. ст.). Если пойти в другом направлении и погрузиться под воду на глубину 50 метров (специалисты по дайвингу считают это максимально допустимой глубиной погружения для дыхания атмосферным воздухом, находящимся под давлением столба воды), то атмосферное давление там окажется 4500 мм рт. ст., а давление кислорода – 900 мм рт. ст.

Но вернемся к обыденности. Давайте посмотрим, что происходит внутри и вне тела человека на уровне моря. Если мы спокойно дышим атмосферным воздухом на нашем любимом морском курорте, то есть при содержании кислорода в воздухе около 150 мм рт. ст., то в альвеолах его давление будет ниже – 104 мм рт. ст. Это уменьшение происходит за счет переноса кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров. В артериальной крови парциальное давление кислорода уменьшается до 100 мм рт. ст. Венозная кровь после того, как артериальная кровь высвобождает кислород в клетки, содержит намного меньше кислорода – его давление там равно 40 мм рт. ст. Уменьшение парциального давления углекислого газа происходит в противоположном направлении от крови к атмосфере – от 46 мм рт. ст. в венозной крови, 40 мм рт. ст. в артериальной крови и в альвеолах до 0,3 мм рт. ст. в атмосферном воздухе.

Показатели давления газов в атмосфере, альвеолах и крови наглядно сгруппированы в табл. 2.1. Показатели, наиболее важные для практики хатха-йоги, – давление кислорода и двуокиси углерода в атмосферном воздухе, альвеолах, артериальной и венозной крови.

Таблица 2.1. Величины давления (мм рт. ст.), характерные для спокойного дыхания на уровне моря

* Самые важные величины выделены полужирным шрифтом. Азот – инертный газ; его содержание и давление определяются только высотой над уровнем моря и суммарным давлением кислорода, двуокиси углерода и водяного пара.

Недостаточная альвеолярная вентиляция называется гиповентиляцией, а избыточная альвеолярная вентиляция – гипервентиляцией. Оба состояния сказываются на давлении газов в альвеолах, артериальной и венозной крови, а также в тканях всего тела. Гиповентиляция приводит к снижению уровня кислорода и повышению уровня двуокиси углерода во всех тканях, а гипервентиляция сдвигает показатели в противоположном направлении (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Величины давления газов в альвеолах и крови (мм рт. ст.) при гиповентиляции, нормальной вентиляции и гипервентиляции

* Шесть чисел, выделенных полужирным шрифтом, – это нормальные показатели, перенесенные из табл. 2.1.

Гиповентиляция

Каждый из нас понимает, что для жизни необходим кислород, и каждый из нас знаком с состоянием, которое возникает при его недостатке, например при задержке дыхания. Этот мгновенно возникающий дискомфорт служит предостережением от дальнейшего усугубления дефицита кислорода, к которому весьма чувствительны нервные клетки; кислородная недостаточность уже через одну минуту может привести к временным нарушениям в нервной системе, а нейроны, лишенные кислорода в течение пяти минут (как в случае инсульта), неминуемо погибают.

Гиповентиляция – состояние, хорошо знакомое людям с поражениями органов дыхания. Они сами называют такое состояние одышкой. Если человек здоров, то вынужденная гиповентиляция не представляет собой ничего серьезного – несколько глубоких вдохов и проблема будет решена – восстановится нормальное равновесие между кислородом и двуокисью углерода. В этом же состоит цель нескольких дыхательных упражнений хатха-йоги, в частности бхастрика пранаяма, которая увеличивает емкости легких.

Однако интенсивное дыхание по типу кузнечных мехов, которое практикуют в упражнении бхастрика пранаяма, может вызвать другое неприятное состояние – состояние гипервентиляции, которое парадоксальным образом может привести к недостаточному снабжению кислородом клеток центральной нервной системы.

Гипервентиляция

Допустим, вы вдыхаете и выдыхаете большие объемы воздуха, выполняя упражнение «кузнечные мехи». Если вы при этом вдыхаете и выдыхаете 500 мл воздуха три раза в секунду, то альвеолярная вентиляция будет равна произведению 180 дыхательных движений на 350 мл, что составит 63 000 мл в минуту против нормы 4200 мл в минуту. Это очень неплохо, если вы в это время, находясь в отличной физической форме, изо всех сил бежите вверх по лестнице высотой в сорок лестничных маршей. При такой тяжелой нагрузке организм будет до конца извлекать из вдыхаемого воздуха весь доступный кислород, а кроме того, надо будет посредством выдохов избавиться от перегрузки двуокисью углерода. Однако такое дыхание не очень полезно для человека в состоянии покоя или выполняющего какие-то рутинные действия. Выраженная гипервентиляция при отсутствии тяжелой физической нагрузки сдвигает равновесие газов в организме.

Проблема гипервентиляции заключается не в избытке кислорода в артериальной крови, как может показаться на первый взгляд, а в снижении концентрации в ней двуокиси углерода, и это явление имеет неожиданный побочный эффект. Происходит следующее: значимое уменьшение содержания двуокиси углерода в артериальной крови приводит к спазму мелких артерий и артериол в головном и спинном мозге. Конечный результат этого прост: артериолы служат в кровообращении чем-то вроде краника, надетого на наконечник садового шланга и регулирующего объем потока – от мощной струи до тоненькой струйки. По мере уменьшения парциального давления двуокиси углерода в артериальной крови артериолы сжимаются и кровоснабжение тканей уменьшается до такого уровня, когда уже не важно, насколько хорошо кровь насыщена кислородом. Крови становится недостаточно, и, следовательно, уменьшается количество кислорода, который поступает из крови в нейроны головного и спинного мозга.

Гипервентиляция, возникающая в результате глубокого форсированного дыхания и достаточная для резкого снижения концентрации и давления двуокиси углерода в крови, не обязательно проявляется тяжелыми клиническими симптомами, но может вызвать такие недомогания, как повышенная утомляемость, раздражительность, головокружение, панические атаки или неспособность к сосредоточению внимания. Нет ничего алогичного в народном способе купирования панической атаки, который практикуют медсестры отделений скорой медицинской помощи. Речь идет о дыхании в бумажный пакет. Повторное вдыхание двуокиси углерода повышает его концентрацию в крови и раскрывает артериолы головного мозга, восстанавливая в нем нормальное кровообращение.

Выраженный дефицит двуокиси углерода в крови может привести к потере сознания. Дети иногда в игре экспериментируют с гипервентиляцией – делают несколько глубоких вдохов, а потом на высоте вдоха задерживают дыхание и натуживаются, и через три-четыре секунды падают на пол как подкошенные. Повышение внутригрудного давления при натуживании уменьшает венозный возврат в сердце (а следовательно, и сердечный выброс), причем на фоне вызванного гипервентиляцией спазма мозговых артериол и этих двух факторов, действующих совместно, вполне хватает, чтобы резко уменьшить кровоснабжение мозга и вызвать кратковременную и преходящую потерю сознания. Такая гипервентиляция с задержкой дыхания безопасна для детей, играющих на лужайке, так как баланс газов восстанавливается сразу же после того, как ребенок, потеряв сознание, начинает нормально дышать; но такая гипервентиляция смертельно опасна под водой.

Самое тяжелое испытание для дыхания – горное восхождение без баллонов с кислородом на высоту больше 7,5 км. Великолепно тренированные спортсмены могут это сделать, и за счет гипервентиляции добраться даже до вершины Эвереста без дополнительного кислорода, обходясь воздухом, давление кислорода в котором не превышает 42 мм рт. ст. Таким образом, они могут загнать в кровь достаточно кислорода под давлением около 40 мм рт. ст., чего достаточно для поддержания жизнедеятельности, и это хорошо. Тем не менее гипервентиляция снижает парциальное давление углекислого газа в альвеолах до уровня приблизительно 10 мм рт. ст., а вот это уже очень плохо. Альпинистам приходится упорно тренироваться на больших высотах, чтобы адаптировать организм к дыханию и работе при таких низких значениях углекислоты в крови. Если взять неподготовленного человека и быстро поднять его на высоту Эвереста (что может произойти при разгерметизации салона самолета, летящего на высоте 10 000 метров), то вследствие неизбежной рефлекторной гипервентиляции и вызванного ею сужения сосудов головного мозга, при отсутствии дополнительных источников кислорода, в течение нескольких минут последует потеря сознания и смерть.

Начинающие ученики хатха-йоги, практикующие дыхательное упражнение бхастрика пранаяма с излишним усердием, могут испытывать некоторые побочные эффекты гипервентиляции, например повышенную раздражительность. Однако если продолжать практиковаться в течение достаточно долгого времени, то мозговое кровообращение в конце концов адаптируется к пониженному давлению двуокиси углерода в крови, после чего упражнение можно делать более интенсивным и наслаждаться повышенной ясностью сознания на фоне повышения концентрации кислорода в альвеолах и крови.

Хеморецепторы

Уровни кислорода и двуокиси углерода в крови и спинномозговой жидкости контролируются с помощью хеморецепторов, специализированных внутренних сенсоров автономной нервной системы. Сенсорные нервы, связанные с этими рецепторами, передают информацию о нарушениях уровня кислорода и двуокиси углерода в дыхательные центры мозга (рис. 2.15). Таким образом, хеморецепторы играют важную роль во взаимодействии автономной и соматической нервных систем.

Существуют два класса хеморецепторов: периферические и центральные. Периферические хеморецепторы, расположенные в крупных артериях, отходящих от сердца, быстро реагируют на значимое снижение концентрации кислорода и мощно стимулируют дыхание. Если вы задержите дыхание или если вы находитесь на высоте, на которой давление кислорода в два раза ниже, чем на уровне моря (то есть не 100, а 50 мм рт. ст.), то импульсы, переданные от периферических хеморецепторов в ствол головного мозга, помогут увеличить альвеолярную вентиляцию в четыре раза – с обычных 4200 до 16 000 мл в минуту. Даже если вы хорошо тренированы и можете без особых усилий преодолевать на уровне моря подъем крутизной 30°, то преодолеть такой же подъем на большой высоте вам едва ли удастся без одышки.

При том, что периферические хеморецепторы быстро реагируют на значительное снижение давления кислорода в крови, на малое уменьшение они почти не реагируют. Если нехватка кислорода невелика, то вы просто потеряете часть бодрости, начнете часто зевать и испытывать сонливость.

Центральные хеморецепторы, расположенные на поверхности ствола головного мозга в непосредственной близости от дыхательных центров, стимулируют частоту и глубину дыхания в ответ на увеличение концентрации двуокиси углерода, а также подавляют интенсивность дыхания, если уровень двуокиси углерода падает. Центральные хеморецепторы, в отличие от периферических, чувствительны к малым изменениям, но реагируют они медленнее, чем периферические хеморецепторы, так как спинномозговая жидкость, которой они омываются, отделена от крови и не сразу реагирует на изменения концентрации углекислого газа в крови.

Рис. 2.15. Ствол головного мозга и мозжечок слева (с центральными хеморецепторами, расположенными вблизи передней поверхности продолговатого мозга), а справа каротидный синус (с периферическими хеморецепторами), расположенный непосредственно ниже бифуркации общей сонной артерии, которая в этом месте делится на внутреннюю и наружную сонные артерии (Quain)

Эта разница в чувствительности периферических и центральных хеморецепторов проявляется в их перекрестном взаимодействии. Например, на больших высотах снижение концентрации кислорода стимулирует периферические хеморецепторы, активация которых приводит к увеличению объема вентиляции, но в результате в крови снижается уровень двуокиси углерода, и, когда это происходит, центральные хеморецепторы подавляют вентиляцию. Вам нужно больше воздуха, чтобы возместить недостаток кислорода, но реакция на уменьшение концентрации двуокиси углерода мешает удовлетворению этой потребности. Тренировка системы с целью ее адаптации к таким конфликтным ситуациям составляет часть высокогорной акклиматизации.

Роль воли

На дыхание влияют десятки физических, ментальных и экологических факторов, и некоторые из них выступают антагонистами по отношению друг к другу. По большей части мы можем преодолеть эти конфликты волевыми усилиями. Противостоять чувству усталости и сонливости можно с помощью упражнения «кузнечные мехи». Если вы едете на велосипеде и попали в облако выхлопных газов едущего впереди автобуса, то можете на короткое время задержать дыхание, чтобы не вдыхать ядовитый дым. Если вы имеете склонность к неровному дыханию, то можете с помощью медитации научиться ровно и спокойно дышать. Если вы расстроены, то медленное и ровное дыхание, скорее всего, успокоит вас. Научившись здоровому дыханию, выполняя позы хатха-йоги, вы сможете перенести полученный опыт в повседневную жизнь. Для того чтобы показать, как это работает в практической хатха-йоге, мы рассмотрим четыре типа дыхания: грудное, парадоксальное, брюшное и диафрагмальное.