呼吸

空気は理想的には鼻から吸入され、鼻から呼出されます。^{[ 8 ]}鼻腔は鼻中隔によって隔てられ、複雑な鼻甲介で覆われており、吸入された空気を広い粘膜表面にさらすことで、空気は温められ、加湿され、微粒子は下気道に到達する前に粘液によって捕捉されます。呼気の際には、空気が冷たくなり部分的に乾燥した粘液の上を通過する際に、熱と水分の一部が回収されます。^{[ 7 ] [ 9 ]}

上気道より下の哺乳類の呼吸器系は、一般的に呼吸器樹または気管支樹と呼ばれます。より大きな伝導気道は、より小さな気管支や細気管支に繰り返し分岐します。ヒトでは平均して約23世代の分岐があります。近位の分岐は空気を運び、末端の分岐（呼吸細気管支、肺胞管、肺胞）はガス交換に特化しています。気管と主要な気管支は肺の外側から始まり、ほとんどの分岐は盲端の肺胞に到達するまで肺内で起こります。この配置により、解剖学的死腔、つまりガス交換に関与しない伝導気道の容積（ 成人では約150ml）が生じます。^{[ 7 ] [ 10 ]}

海抜高度が高くなるにつれて気圧は低下し、肺胞は気道を通して外気と繋がっているため、肺内の圧力も高度の上昇に伴って同じ割合で低下します。高地でも、海面と同様に、肺への空気の出入りには気圧差が必要です。高地での呼吸のメカニズムは基本的に海面での呼吸と同じですが、以下の点が異なります。

大気圧は高度とともに指数関数的に減少し、高度が5,500 メートル (18,000フィート)上昇するごとにほぼ半分になります。^{[ 26 ]}ただし、大気の組成は、気象の継続的な混合効果の結果として、80 km 未満ではほぼ一定です。^{[ 27 ]}そのため、空気中の酸素濃度 (空気 1 リットルあたりのミリモル O ₂ ) は、大気圧と同じ割合で減少します。^{[ 27 ]}周囲の圧力が約 100 kPaである海面では、酸素は大気の 21% を占め、酸素分圧 ( P _{O 2} ) は 21 kPa (つまり 100 kPa の 21%) です。エベレスト山の頂上、標高8,848メートル（29,029フィート）では、全気圧は33.7kPaですが、酸素は依然として大気の21%を占めていますが、その分圧はわずか7.1kPaです（つまり、33.7kPaの21% = 7.1kPa ）。^{[ 27 ]}したがって、一定時間内に同じ量の酸素を吸入するには、海面よりも高地でより多くの空気を吸入する必要があります。          

吸入中、空気は鼻と咽頭を通過する際に温められ、水蒸気で飽和してから肺胞に入ります。水の飽和蒸気圧は温度のみに依存し、体温が37 ℃の場合、高度などの他の影響に関係なく6.3 kPa（47.0 mmHg）です。 ^{[ 28 ]}その結果、海面では、気管内の空気（吸入された空気が肺胞に入る直前）は、水蒸気（P _{H 2 O} = 6.3 kPa）、窒素（P _{N 2} = 74.0 kPa）、酸素（P _{O 2} = 19.7 kPa）、微量の二酸化炭素およびその他のガスで構成され、合計100 kPaです。乾燥した空気では、海面でのP _{O 2}は 21.0 kPa ですが、気管内の空気ではP _{O 2}は 19.7 kPa です([100 – 6.3] の 21% = 19.7 kPa)。エベレスト山頂では、気管内の空気の全圧は 33.7 kPa で、そのうち 6.3 kPa は水蒸気であり、気管内の空気のP _{O 2}は 5.8 kPa に低下します ([33.7 – 6.3] の 21% = 5.8 kPa)。これは、大気圧の低下 (7.1 kPa) だけでは説明できない値です。               

吸気時に肺に空気を押し込む圧力勾配も高度によって減少します。肺の容積を2倍にすると、どの高度でも肺内の圧力は半分になります。海面気圧（100 kPa）を半分にすると圧力勾配 は50 kPaになりますが、大気圧が50 kPaである 5500 mで同じことをすると、肺の容積を2倍にしても圧力勾配はわずか25 kPaになります。実際には、私たちは2～3 kPaの圧力勾配しか生み出さない穏やかで周期的な呼吸をするため、これは肺への実際の流入速度にはほとんど影響せず、少し深く呼吸することで容易に補償されます。^{[ 29 ] [ 30 ]}高度では空気の粘度が低いため、空気がより容易に流れ、これも圧力勾配の損失を補償するのに役立ちます。    

低気圧が呼吸に及ぼす上記の影響はすべて、通常、呼吸分時量（1分間に吸い込む空気量または吐き出す空気量）を増加させることで対処され、このメカニズムは自動的です。必要な増加量は、動脈血酸素分圧（_{PO₂ ）}と二酸化炭素分圧（PCO₂ _）を調節する呼吸ガス恒常性メカニズムによって決定されます。この恒常性メカニズムは、_海面では酸素よりも動脈血PCO₂の調節を優先します。つまり、海面では、動脈血_PCO₂は_広範囲の状況下で5.3 kPa（または40 mmHg）に非常に近い値に維持されますが、_その代わりに動脈血PO₂_は非常に広い範囲で変動することが許容され、その後、補正的な換気応答が引き起こされます。しかし、気圧（したがって大気中のPO₂ _）が海面における値の75%を下回ると、二酸化炭素の恒常性よりも酸素の恒常性が優先されます。この切り替えは、標高約2,500メートル（8,200フィート）で起こります。この切り替えが比較的急激に起こると、高地での過換気により動脈血P _{CO 2}が著しく低下し、その結果、動脈血漿のpHが上昇して呼吸性アルカローシスを引き起こします。これが高山病の一因となります。一方、酸素恒常性への切り替えが不完全な場合、低酸素症が臨床像を複雑化させ、場合によっては致命的な結果を招く可能性があります。   

水深が深くなるにつれて、水圧は約1気圧（ 10メートルごとに100kPa強、または1バール）ずつ上昇します。ダイバーが水中呼吸する空気は周囲の水圧と同じ圧力であり、これは生理学的および生化学的に複雑な影響を及ぼします。適切に管理されない場合、水中での圧縮ガスの呼吸は、肺気圧外傷、減圧症、窒素酔い、酸素中毒など、いくつかの潜水障害を引き起こす可能性があります。加圧下でのガスの呼吸の影響は、1種類または複数の特殊な混合ガスを使用することでさらに複雑になります。

空気はダイビングレギュレーターによって供給され、ダイビングシリンダー内の高圧を周囲の圧力まで減圧します。レギュレーターの呼吸性能は、行うダイビングの種類に適したレギュレーターを選択する際の重要な要素です。レギュレーターからの呼吸は、大量の空気を供給する場合でも、少ない労力で済むことが望ましいです。また、吸気時や呼気時に抵抗が急激に変化することなく、スムーズに空気が供給されることも推奨されます。右のグラフでは、排気弁を開くために呼気時に圧力が急上昇し、吸気時に圧力が急降下するものの、レギュレーターに組み込まれたベンチュリ効果によってすぐに克服され、容易に空気を吸い込むことができる点に注目してください。多くのレギュレーターには、呼吸を楽にするために吸気のしやすさを調整する機能が備わっています。

特定の呼吸パターンは、特定の気分と関連して発生する傾向があります。この関係性から、さまざまな分野の実践者は、最も一般的に関連して発生する呼吸パターンを採用することで、特定の気分の発生を促すことができると主張しています。たとえば、おそらく最も一般的な推奨事項は、横隔膜と腹部をより多く使用する深い呼吸がリラクゼーションを促すことができるというものです。^{[ 12 ] [ 37 ]}さまざまな分野の実践者は、呼吸の調整の重要性と、それが気分に及ぼす影響をさまざまな方法で解釈することがよくあります。仏教徒は、それが内なる平和の感覚を促すのに役立つと考えるかもしれませんし、ホリスティックヒーラーは、それが全体的な健康状態を促進すると考えるかもしれません^{[ 38 ]}、ビジネスアドバイザーは、それが仕事に基づくストレスからの解放をもたらすと考えるかもしれません。

運動中は、酸素の吸収を促進するために、より深い呼吸パターンが採用されます。より深い呼吸パターンを採用するもう1つの理由は、体幹を強化するためです。深呼吸の過程で、胸郭横隔膜は体幹のより低い位置になり、腹腔内圧の発生を助け、腰椎を強化します。^{[ 39 ]}通常、これにより、より力強い身体動作が可能になります。そのため、重い重量を持ち上げる際には、深呼吸をするか、より深い呼吸パターンを採用することがよく推奨されます。