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[이론강좌 24] 다이빙생리/호흡과 순환
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호흡이란 신진대사에 필요한 산소를 대기로부터 세포에 전달하는 동시에 세포로부터 이산화탄소를 제거해 대기로 운반하는 일련의 과정을 의미한다.
호흡은 숨쉬기, 폐에서 산소를 혈액에 받기, 순환계를 이용해 세포에 산소를 운반하기, 혈액으로부터 세포에 산소 전하기 및 역순서의 이산화탄소에 대한 것 등의 여러 가지 기능을 포함한다. 이런 호흡은 외호흡과 내호흡으로 나눠진다.
호흡은 자동적으로 이루어진다. 즉 뇌에서 혈액내 의 이산화타소양을 기준으로 호흡율을 조정하게된다. 공기는 코와 입을 통해 유입되어 식도와 기관지를 통해 전달된다. 회염연골은 기관지로 음식이 넘어가는 것을 방지한다. 기관은 가슴에서 기관지로 갈라지며 기관지는 또 더 작은 세기관지로 나누어지고 이러한 불리과정은 허파꽈리라 불리는 작은 공기주머니에 도달할 때까지 계속된다.
허파꽈리는 크기가 매우 작고 사람마다 보통 3억개 정도가 있는데 각 허파꽈리는 모세혈관으로 둘러쌓여 있고 이 모세혈관을 지나는 혈액속의 이산화탄소와 허파꽈리내에 있는 공기중의 산소를 교환하는 장소이다.
폐는 늑막이라는 두개의 얇은 막으로 쌓여져 있는데 하나는 폐를 감싸고 다른 하나는 흉벽과 나란하게 위치한다. 이 두겹 사이에는 얇은 윤활층이 있어서 움직임을 원활하게 해준다. 늑막의 손상은 이 공간에 공기가 들어감으로써 발생하는데 이 경우 폐를 찌그러뜨리는게 된다.
폐를 통한 호흡은 폐의 압력 변화에 의해 이루어진다. 흡기시에는 횡경막 근육이 수축되어 평평하게 되고 흉곽근육은 수축과 이완을 반복하게 된다. 이런 작용은 폐를 확장시켜 대기압보다 낮은 분압을 발생시킨다.
공기는 폐 안에 균형이 될때까지 유입된다. 배기시에는 횡경막 근육이 이완되어 흉골은 제자리로 돌아오고 폐의 탄성수축에 의해 폐안의 압력은 대기압보다 높아진다. 폐안의 공기압이 대기압 보다 크게 되면 대기압에 맞출때까지 압력이 떨어진다.
폐가 호흡할 수 있는 범위는 신경계가 좌우하는 흉벽과 횡경막 근육의 수축정도에 따라 달라지게 된다. 보통 호흡율은 분당 12~16회 정도이며 힘든 일을 하는 중이나 한 후에는 호흡율이 몇배나 증가 될 수도 있다. 숨을 내쉰 후에 폐 안에는 약 2.5리터의 공기가 들어있다. 힘껏 숨을 내쉬었다 하더라도 폐 속에는 1.5리터의 공기가 남게 되고 이것을 잔기라 하며 폐의 찌그러짐을 막아준다.
정상적인 호흡으로 내쉬고 들어마시는 공기량을 호흡기량이라 하고 보통 한번에 0.5리터 정도이다. 정상적으로 숨을 들이 마신 순간에서 더 마실수있는 공기의 양을 예비 호흡량이라 하며 이것은 사람에 따라 차이가 있지만 보통 4.5리터 정도이다. 숨을 끝까지 내쉬고 난 다음에 다시들이 마실수 있는 공기의 양을 폐활량이라하고 폐의 크기, 발달정도 , 개인적인 건강상태에 따라 사람마다 차이가 있다. 전폐기량은 폐활량과 잔기의 합으로 잔기느 보통 전폐기량의 25% 정도이다.
분당호흡량은 1분동안 호흡한 공기량을 말하고 일반적인 경우에는 분당 25-30리터 정도이다.
허파꽈리 안으로 들어온 산소는 확산에 의해 혈액속으로 흡수 된다. 혈액을 붉게 보이게 하는 적혈구속의 헤모글로빈은 단백질로 산화헤모글로빈을 만들며 산소와 결합하는 능력을 가지고 있으며 또한 이산화탄소, 일산화 탄소와도 결합한다. 혈액은 50배정도 더 많은 산소 운반 능력을 보이며 이중 헤모글로빈에 의한 운반량이 98% 정도를 차지한다.
혈액과 세포간의 산소와 이산화 탄소교환은 서로 반대쪽에서 일어나다. 산소는 조직내에서 계속적으로 사용되기 때문에 혈액내의 산소 분압이 더 낮다. 이산화탄소는 세포에서 만들어지므로 조직에 도달한 혈액보다 부분압이 높다. 따라서 혈액이 조직에 도착하면 산소를 주고 이산화탄소를 받아 들이게 된다.
활동적인 조직일 수록 더 많은 양의 산소를 필요로 한다. 이 증가된 산소요구량은 혈액내에 산소의 양이 증가함으로써 보충되는 것이 아니라 더 많은양의 혈액과 공급된 산소를 모두 흡수함으로써 이루어진다. 활동적인 조직에는 산소공급율을 9배로 증가시킬 수 있다.
인간의 뇌는 혈액내의 산소와 이산화탄소의 농도에 민감하며 그 정도에 따라 호흡율과 호흡량을 조절한다. 말초신경에서는 폐를 떠나는 혈액속의 산소와 이산화탄소의 농도를 감지하여 뇌에 보낸다. 이 감지기능은 산소의 양 부족시 주로 반응한다.혈액 속의 이산화 탄소의 농도가 증가하게 되며 호흡 충동을 자극시키며 이때 저산소에 대한 자극은 부수적이 된다.
호흡 체계는 매우 복잡하다. 호흡율은 이산화 탄소의 농도 증가뿐만이 아니라 산소의 부분압, 기체의 밀도 증가, 심리적 상태, 그리고 근력등 여러가지 요인에 의해 영향을 받는다. 호흡순환은 폐에 도달한 이산화탄소를 실은 혈액이 이산화 탄소를 대기중으로 내보냄으로써 완료된다. 산소를 싣는 것은 이산화탄소의 교환을 쉽게 한다.
수면에서 호흡하는 것은 육상에서 호흡하는 것보다 더 힘이 든다. 이것은 횡경막의 운동 범위가 주위압의 증가에 따라 짧아니고 폐의 부피 또한 다이빙중 충분히 팽창되지 못하므로 보통의 겨우보다 작아지기 때문이다.
수중에서 혈액은 부력에 의해 가슴쪽으로 몰리게 된다. 이것은 혈액의 부력르로 인한 효과가 작음에도 불구하고 하체 주변의 주변압의 증가로 상대적으로 압력이 높은 하체부분에서 상체부분으로 혈액을 밀어 내려하기 때문이다. 육상에 서 있는 다이버의 경우 혈액은 아래쪽으로 이동해 하체에 증가된 주변압으로 인해 혈액은 다리에서 가슴으로 그 집중이 역전된다.
이런 혈액의 집중 현상을 평소보다 많은 야의 혈액이 오른쪽 심장에 몰리게 된다. 혈액의 양이 증가하게 되면 심장의 1회 박동에 필요한 에너지는 평소보다 약 30%정도 증가하게 된다. 또한 평소보다 많은 혈액양은 허파로 유입되어 결과적으로 허파의부피를 약간 감소시키게 된다. 따라서 폐기량은 정상시보다 약6-12%정도 줄어들 게 된다.
다이버는 호흡과 폐에 관련된 여러 가지 문제로 고통받을 수 있고 여기서는 그 상세한 내용들을 다루도록 한다. 먼저 호흡곤란은 숨을 참는 것 이외의 다양한 이유로 인해 호흡이 방해받는 것을 말한다.
질식은 호흡곤란, 혈액의 산소교환 장애, 저 산소증으로 초례된 무의식상태를 말한다. 질식은 익수등과 같이 호흡중단을 일으키는 여러가지 이유에 의해 발생한다.
협착은 기관이 막히거나, 기도에 이물질이 끼거나,후드부분이 눌리거나, 물을 들이키거나 구토등으로 인해 공기의 통로가 막힌 경우이다. 희생자는 이런 질식으로 부터 의식을 잃기 전까지 장애물에도 불구하고 숨을쉬기 위해서 결렬하게 발버둥 치게 된다.
장애물이 제거되기 전까지는 인공호흡을 통한 공기순환은 어려워진다.
호흡저항의 문제는 몇몇 다이빙 사고와 관련이 있다. 신체는 넓은 기도와 빠른 공기호흡으로 인해 기도내의 공기 흐름은 난류이며 호흡저항은 기체밀도의 제곱근에 비례한다.만약 천천히 깊은 호흡을 하게되면 유입되는 공기의 난류를 일으키는 경향은 줄어들게 된다.
만약 기체의 밀도가 네배가 되면 호흡저항은 두배가 되고 유입되는 공기는 평상시의 50%정도가 된다. 그러나 대부분의 사람은 수면에서 최대 호흡량의 50 - 60%정도 밖에 사용하지 않는다.따라서 압력이 4기압으로 올라가게 되면 다이버는 호흡긴장을 통해 공기의 흐름을 현격하게 증가시키지 않는 한 숨을 쉴 수 없게 된다. 수심이 증가함에 따라 기체의 밀도가 증가하면 호흡저항도 증가하게 된다.
잘못 조정된 호흡기는 호흡을 매우 곤란하게 만들 수 있다. 몇몇 호흡기는 공기 공급율이 증가해야 할 100피트(30미터)이상의 깊이에서는 호흡이 곤란한 경우도 있다. 지름이 작거나 또는 내벽이 찌그러진 스노클은 호흡저항을 일으킬 수 있으며 이에 따른 문제들은 다음에 다루도록 한다.
인체내의 이산화탄소 농도는 운동량이 많아지거나 부적절한 호흡등으로 인해 대사작용이 많아지게 되면 증가하게 된다. 준익사에 의해 폐안으로 물이 들어가거나 또는 압착으로 인해 공기공간이 줄어드는 때를 예로 들수 있다.
대기속의 평균적인 이산화탄소의 종도는 0.04% 정도이다. 이산화탄소의 농도가 증가하게 되면 가장 먼저 호흡량이 증가하게 된다. 농도가 더 높아지면 호흡이 불안정해지고 아주 많은 양이 축척도면 현기증, 의식불명이 일어날수 있다.
호흡은 산소를 받아들이고 이산화탄소를 내뱉는 과정이다.폐의 부적절한 호흡(저호흡)은 체내의 이산화탄소의 농도를 증가시키게 되어 결과적으로 혈액내의 이산화탄소의 양이 증가된다. 이산화탄소 과다는 저호흡 또는 혈액내 이산화탄소 농축 등 정상적인 방법으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 경우 등 을 의미하지만 경우에 따라 실패 할 수 있다. 스쿠버 다이버에게 있어 이산화탄소가 과다하게 되는 주요 이유는 불안감이나 여러가지 이유등으로 비효율적인 호흡을 하기 때문에 발생한다. 다이빙 도중 수면 에서는 저호흡으로 인한 패닉이 발생하는데 경우에 따라 장비상의 제약조건 때문에 악화될 수도있다.
일을 하는 동안 체내에 남아있는 이산화탄소의 양은 사람에 따라 다르다. 어떤 사람은 다른 사람에 비해 더 많은 양의 이산화탄소를 가지고 있기도 하고 더 빨리 축적이 일어날 수도 있다. 그러나 스쿠버 장비로 인한 이산화탄소 과다로 의식을 잃는 경우는 드문 일이며 대개는 과다한 일과 그에 대한 부적절한 호흡과 이산화탄소의 축적이 결합되어 의식을 잃게 된다. 지쳐 있는 동안에 얕고 짧은 호흡은 금물이며 정상적인 호흡을 유지하도록 한다.부적합하거나 잘 못 관리된 장비 때문에 호흡저항이 큰 경우 이와 같은 상황은 훨씬 빨리 초래될 수 있다.
의도적으로 호흡을 천천히 하는 경우에도 이산화탄소가 과다하게 축적된다. 이런 경우는 공기를 좀 더 오래 쓸 목적으로 호흡을 천천히 하려는 잘못된 인식을 가진 다이버들에게 일어나며 의식하지 못하는 사이에 이산화탄소가 축적되기 때문에 매우 위험하다. 숨 참기는 상승시 폐의 팽창을 통한 상해를 일으킬 수 있고 계속적으로 호흡생략을 했을 경우 공기 소진시 숨을 참는 능력에 한계가 온다.
만약 이산화탄소 과다가 일어나면 빨리 응급처치를 해주는 것이 매우 중요하다. 이산화탄소 과다로 의식을 잃은 다이버는 폐속에 신선한 공기가 들어가면 신속하게 의식을 회복한다. 그러나 회복된 경우에도 얼마 동안은 두통,메스꺼움,졸림, 가슴에 통증등을 느끼게 된다.
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE
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