呼吸机制
# 100.呼吸机制
了解呼吸机制，能更有效地学习呼吸训练。
# 人体的呼吸器官
呼吸器官的作用：从空气中吸入氧气，再输送到体内的细胞和组织中，并呼出体内产生的二氧化碳。即便是做剧烈运动时，呼吸器官也能给体内供应适量氧气。
吸气时，从鼻子（或嘴巴）吸入的空气，到达主支气管后，分两路进入左右肺，然后通过叶支气管、三级支气管来到细支气管，最后被送达到肺泡（储存空气的小气囊）中。
肺部约有三亿个肺泡，每个肺泡都被毛细血管覆盖。如果把肺泡和毛细血管的接触面展开，其大小相当于一个网球场的面积。
想要理解这个机制，可以想像一颗倒过来的树（如下图），树枝是左右分叉的叶支气管，树枝再分叉的部分是三级支气管，树叶是肺泡——氧气就是从这里被送到血管。
树木通过光合作用制造氧气，我们通过呼吸把氧气吸入体内。树和人的呼吸器官类似，是一个非常有趣的巧合。
# 血液、血红蛋白、脾脏
血液由三种物质构成：携运氧气的红细胞、白细胞和血浆。
血红蛋白是一种蛋白质，存在于红细胞中，功能之一就是将氧气从肺部搬运到细胞、肌肉和器官中，释放氧气燃烧来产生能量。一旦氧气被释放，生成的二氧化碳就会被血红蛋白收集并回运到肺中，多余的二氧化碳则被排出体外。
血红蛋白将氧气释放到细胞或组织中的机理叫作波尔效应。简单来说就是：当二氧化碳浓度增加，细胞内的 pH 值降低，引起红细胞内血红蛋白氧亲和力下降，血红蛋白便释放氧气。
一旦氧气被释放，生成的二氧化碳就会被血红蛋白收集并回运到肺中，多余的二氧化碳则被排出体外。
平时我们常说的煤气中毒，也就是一氧化碳中毒，中毒机理是一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高 200～300 倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，使血红蛋白丧失携氧的能力，引发窒息。
还有一个器官要介绍：脾脏，它是身体的血库，对血液来说有着银行一样的作用，当身体出现“氧气不足”的信号时，脾脏会释放储存的红细胞。
# 血氧饱和度
血氧饱和度（SpO 2 ）是指与氧气结合的血红蛋白量占血红蛋白总量的比例。
氧气是肌肉活动的燃料，人体内的红细胞含有 95%～99% 的氧气，不管做多么激烈的运动，这个氧气含量都足够了。只有极少部分患有肺部疾病的人，体内氧气饱和度较低。
静处时，人体每分钟大概吸入 4～6 升空气，氧饱和度为 95%～99%。因为血液中的氧气不断地被输送到细胞，所以血氧饱和度不会达到 100%。
如果血氧饱和度为 100%，就表明血红蛋白与氧分子的结合太强烈，减弱了红细胞向肌肉、器官和组织输送氧气的能力。血液的工作机理是把氧气运送到肌肉和器官中，而不是保存氧气。
实际上，人体存有过量的氧气——静处时有 75% 通过呼吸排到体外，运动时只有 25% 排到体外，也就是说，即使把血氧饱和度提高到 100%，也是毫无意义的。
有一个错误的观念在体育界和健身界广为流传：深呼吸对身体有益。从生理上来说，通过这种方式增加血液中的氧气饱和度是不可能的，因为血液中的氧气几乎已经完全饱和了，这就好比把更多的水倒进一个已经装满了水的杯子里一样无效。
# 波尔效应
理解并运用波尔效应是学会正确呼吸方式的关键，呼吸优化训练也是以波尔效应为基础，因此有必要详细介绍下。
波尔效应是在 1904 年由丹麦生理学家克里斯蒂安 · 波尔（Christian Bohr）发现的：“血液中二氧化碳的压力是体内呼吸循环代谢的一个重要因素，适量的二氧化碳能使身体更有效地利用血液中的氧气。”
二氧化碳浓度决定身体利用氧气的效率。多数人只想起生物课教导的：人需要吸入氧气而吐出二氧化碳，于是，大部分人就认为二氧化碳是肺部排出去的垃圾气体。
实则不然，二氧化碳是身体分解食物里脂肪和碳水化合物这一自然过程的最终产物，它通过血管从组织和细胞返回肺部，多余的会被呼出，但此中至关重要的是，一部分二氧化碳会被保留下来。正确呼吸不仅依赖，也决定了肺里二氧化碳的浓度。
二氧化碳好比让氧气到达肌肉的门：
- 如果门是半开着的，只有部分氧气可以通过，那么在锻炼时就会感到喘不过气来，并出现四肢痉挛的现象
- 而如果门是敞开的，氧气源源不断，便可以在更高的强度下保持体力活动
如果血液中的二氧化碳过少：
- 血管会收缩，血红蛋白不释放氧气。
- 如果肌肉得不到必要的氧气，身体就会气喘，运动状态也无法得到提高。
这样就进入恶性循环：气喘、大口大口呼吸，但大口呼吸并不能让肌肉得到更多的氧气，反而会降低二氧化碳的浓度：因为吸入的空气越多，呼出的也会越多，随之排出的二氧化碳也会增多，血液中二氧化碳的浓度进一步降低。这也就是运动越来越吃力的原因之一。
# 二氧化碳的其他作用
二氧化碳还有调节血液酸碱度的作用。血液正常的 pH 值是 7.365，如果 pH 值未能保持在该数值附近，就会给身体增加负担：
- 血液偏碱性，呼吸就会减少，允许二氧化碳水平上升，恢复到正常的 pH 值
- 血液偏酸性（例如吃了过多速食食品后），为了排放酸性的二氧化碳，呼吸会增加
体内 pH 值和器官、代谢功能有直接的关系，保持体内正常的 pH 值是生命体不可缺少的条件，如果血液酸性增加（pH 值低于 6.8），或者碱性增加（pH 值高于 7.8），都会对生命产生威胁。
所以，不能把体内的二氧化碳只看作一种废气，它有许多更重要的作用：
- 帮助血液中的氧气释放到细胞里
- 扩张气道和血管内壁的平滑肌
- 调整血液的 pH 值
# 膈肌
膈肌：一块对呼吸至关重要的肌肉。在平静状态下，呼吸活动进行的气体交换，25% 来自肋骨的运动，75% 是靠膈肌的活动。
膈肌是一张半球形的肌肉，生长在我们的胸腔（容纳心脏和肺）和腹腔（容纳胃、肠、肝和肾）中间，并将它们分割开来。
通过钟罩试验图解，能够清楚地看出腹部运动和膈肌运动之间的关系，吸入空气时腹部鼓起，而呼出空气时腹部塌陷：
再来个更直观的动态图，吸入空气，膈肌向下伸展挤压腹部，肚子鼓起：
呼出空气，膈肌向上收回，挤压腹部的力量消失，肚子瘪下去：
很多人认为呼吸发生是因为肺部的「肌肉」在收缩扩张完成气体交换，其实都是膈肌的功劳，肺部其实没有肌肉，它只是搭了横膈膜制造的压力差的顺风车。
通过将膈肌下压的方式，给上方的肺部腾出了更大的地方，让肺部能吸入更多的空气，有点像武侠小说中提到的“气沉丹田”。
肺叶是上窄下宽，下半叶的血流量比上半叶多，只使用上半叶的快节奏的呼吸（换气过度中经常出现），而没有充分利用肺的下半叶，会使得输送到血液中的氧气量减少，也损失了大量的二氧化碳。
# 呼吸的目的
呼吸的目的就是为了排出多余的二氧化碳。如果想亲自体验二氧化碳促使呼吸的过程，可以直接试试屏息：用鼻子缓慢呼气，呼气后用手指捏住鼻子屏息。
屏息时血液中的二氧化碳浓度会逐渐提高；稍过片刻，大脑与颈部的神经为了减少血液中的二氧化碳浓度而下达“呼吸”的指令；身体接受了指令后，颈部和胃部的肌肉会收缩，并伴随一种吸入空气的冲动。
一定要记住，呼吸的目的是为了排放多余的二氧化碳，而不是排放得越多越好。
# 呼吸速率和呼吸量
呼吸的速率和量由大脑中的受体神经决定，它们的工作方式类似于调节家庭供暖系统的恒温器。然而，这些神经不是监测体温的波动，而是监测血液中二氧化碳和氧气的浓度，以及 pH 值。
现代社会倾向于把所有事情都量化，呼吸也不例外。
呼吸优化训练强调的是呼吸量，以及将其降低到正常水平为目标，因此用秒来测量呼吸的长度是毫无意义的；同样，通过改变每分钟的呼吸次数来纠正不良呼吸习惯也是不可能的。
# 呼吸训练的目的
呼吸训练的目的就是为了提高对二氧化碳的耐受度。
当呼吸神经对二氧化碳浓度不那么敏感时，就会体验到气喘状况在减少，减少呼吸困难的情况，在锻炼时能更有效地向肌肉输送氧气，身体可以以更少的努力产出更大的收获。
在静处和体育锻炼中，呼吸也会变得更轻。
虽然定期的运动也能提高对二氧化碳的耐受度，日本科学家田畑泉（Izumi Tabata）领导的研究团队有过一项研究，结果表明，进行中等强度的有氧训练提高了耐力，但高强度的间歇训练使耐力和肌肉力量都得以提高。
但如果采用呼吸训练，效果会更出色；无论是想健身还是运动迷，正确的呼吸法都将伴随一生。
# 呼吸与运动员
职业运动员为了提高体能、锻炼耐力，经常采用高海拔训练，即在一段时间内选择氧气较少的地方生活、锻炼，提高人体的自然调节功能，提高体内血液搬运氧气的能力。
例如全亚洲海拔最高的体育训练基地——青海多巴国家高原体育训练基地，就吸引了许多国内外运动队前来训练。
高海拔训练被教练和运动员关注，始于 1968 年在海拔 2300 米的墨西哥城举办的夏季奥运会。赛事结束后，运动员们回到低海拔地区，很多人刷新了自己的纪录。于是，教练们分析可能是高海拔地区的训练提高了运动员的竞技状态。
海拔升高后，大气压力下降，体内氧气含量随之减少，这个时候人体就会增加红细胞来应对稀薄氧气的环境。红细胞数量增加会提高血液将氧气输送至肌肉的能力，减少乳酸分泌，从而提升运动技能，增强耐力，发炎和受伤的风险也会降低。
然而，高海拔训练有一个明显的缺陷：稀氧环境本身会增加抗阻力，妨碍运动员进行最大强度的训练，由于运动强度降低了，肌肉功能也会失调。
为了充分利用高海拔的优势又把其缺点减到最低，科学家开发了“高地生活—平地训练”的训练模式，要求运动员在海拔 2500 米的地方生活，但要在海拔低于 1500 米的地方进行训练，可以使运动员精准地通过高海拔地区生活提高携氧能力，而通过平地训练保持肌肉的运动量。
美国国家长道速滑队采用“高地生活—低地训练”模式，为 2002 年盐湖城冬季奥运会做准备，并取得了前所未有的成功。
除了正规训练，有些运动员会使用违规输血法（血液回输），即在比赛前几周，抽出自己的血冷冻或冷藏，身体感觉到血液水平低于正常水平时，将产生额外的红细胞来弥补。接近大赛前（通常 1～7 天前），把储存的血液重新注入身体里，这部分增加的血液会使红细胞数量超过正常水平，从而增加了最大摄氧量并极大程度地提升体能表现。
还有些运动员会使用 EPO（肾脏自然生成的激素），刺激骨髓释放更多红细胞进入循环系统。
例如在环法自行车大赛（自行车循环赛中最权威的比赛），就有过运动员（包括七冠王）采用上述方法。
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