第二节　运动对肺及呼吸功能的影响

运动的指令由大脑皮层的中枢系统发出后，我们的呼吸会变得更深，肺泡周围的血流量会增加，气体交换的效率会增加，从而保证有更多的氧气进入肺泡，有更多的氧气可以通过肺泡交换到血液当中去，进而保证运动的骨骼肌有足够的氧供给。

运动的气体交换机制

为保持运动对能量的供给需要，人体需要通过呼吸系统和循环系统将氧（O₂）运输到做功的骨骼肌，将二氧化碳（CO₂）排出到体外。理想肺状态下，假设不存在肺泡的通气量和心输出量的气体交换不均衡状态，那么1分钟的CO₂排出量只与肺泡的换气量和肺泡中CO₂的压力有关。理想肺状态下，肺泡中CO₂压力等于动脉血CO₂压力，那么CO₂的排出量就和肺泡的换气量和动脉血CO₂浓度相关。但实际上，存在于终末细支气管以上气道内的气体容量不能交换，在解剖学上我们称之为解剖无效腔。此外，流经肺泡的毛细血管中的血液，由于肺泡膜的自身状况，产生了不能进行气体交换的死腔，这是生理原因造成的，叫作生理无效腔。因此，我们每分钟的通气量，是能够进行气体交换的肺泡换气量和不进行气体交换的死腔气体量的总和。它可以通过每分钟的呼吸频率乘以每次呼吸的潮气量（每次呼吸的通气量）获得。

当进行恒定的中等强度运动时，开始的最初阶段是第1相，这一阶段运动的肌肉还没有将运动代谢产生的CO₂运到肺毛细血管。这一时期，往往在运动开启后的10～25秒，通气和换气应答的速度增加。从骨骼肌将代谢产生的CO₂运输回肺泡毛细血管开始，气体交换进入第二阶段，叫作第2相。这一阶段是开启将代谢产生的CO₂排出，向最终达到运动稳态（O₂摄入量和CO₂排出量保持恒定）的中间过程，O₂摄入量和CO₂排出量持续增加，此阶段的时间因运动个体的不同而不同。第三阶段即第3相，是体内做功的肌肉组织的气体交换消耗的O₂和生成的CO₂量，与肺内气体交换吸入的O₂和排出的CO₂量达到平衡的稳态。

运动的节律和呼吸节律

运动状态需要更多的氧气供给机体的需要，最大运动强度状态时氧气供应会增加至安静状态时的10倍。为保证这一生理的需要，我们的呼吸频率和每次的呼吸换气量会相应地做出调节。前面介绍过，每分钟的通气量，包括肺泡能够进行气体交换的气体量和死腔内不进行气体交换的气体量的总和，它受潮气量和呼吸频率的共同调节。中等强度的运动，进入到第3相时，体内肌肉代谢的耗氧量和肺泡换气量所供给的吸氧量保持供给平衡，这一时期的每分钟肺泡有效换气量保持恒定。每分钟的通气量是每次潮气量和呼吸频率的乘积，由于恒定运动下每次呼吸的死腔量相对恒定，所以每次呼吸的潮气量越大，每次肺泡有效换气量就越大，那么呼吸频率需要的次数就越少。相反，每次呼吸的潮气量越小，每次肺泡有效换气量就越小，为保证每分钟肺泡有效换气量的恒定，那么呼吸频率需要的次数就越多。在每次通气量死腔相对恒定的情况下，呼吸频率越快，每分钟死腔通气量就越多，换气效率就越低。经过运动训练的运动员，呼吸肌功能优化，在同样中等强度的运动中，相比于一般的健康人群而言，骨骼肌做功基本相同，肺的每分钟肺泡换气量基本相同，但由于潮气量大，所以呼吸的频率就更慢，换气的效率就更高。

呼吸的化学调节

运动状态下，由于做功的肌肉需氧量增加，代谢反应增强，从而要求肺的O₂和CO₂的交换量也需增加。这一呼吸的反应，是在中枢神经系统、末梢肌肉和关节的压力感受器，以及感知体液成分变化的化学感受器的共同调节下完成的。

中枢调节和肌肉收缩的压力感受器调节比较好理解，体液变化的化学感受器调节主要是指动脉血中的氧分压（PO₂）、二氧化碳分压（PCO₂）以及氢离子浓度（H⁺）。化学感受器调节主要是反馈调节，通过体液成分变化的感知，调节呼吸的气体交换状况，以达到动脉血中化学成分（PO₂=100mmHg，PCO₂=40mmHg，pH=7.40）的稳定。

化学感受器的调节包括：中枢化学感受器调节和周围末梢化学感受器调节。中枢化学感受器，是指延髓的化学感受器，可以感知脑细胞外液的氢离子浓度，调节换气状态。周围末梢的化学感受器，是指主动脉体和颈动脉体，它们可以感知动脉血中的PO₂、PCO₂以及H⁺浓度的变化，随后传信号回中枢，通过中枢的指令调整呼吸的变化。人体在运动时，周围末梢的化学感受器主要是通过颈动脉体的感知作用来完成的，主动脉体的化学感受器调节基本不发挥效用。

低到中等强度运动中，动脉血中的PCO₂为保持安静状态下的水平，中枢化学感受器的反馈调节作用不大。运动时，颈动脉体的化学感受器的感知度增高，可以感受血液中气体浓度的微量变化；同时，肺部感知二氧化碳流速变化的感受器，参与换气量的调节控制。高强度运动（超过最大运动能力60%以上的运动），往往使得换气量急剧的增加，从而肺泡氧分压增加，动脉血二氧化碳分压下降。高强度运动时伴有乳酸的产生，氢离子浓度的变化刺激颈动脉体化学感受器做出反馈调节。

运动的膈肌应答

膈肌纤维及支配其的膈运动神经元（颈4脊髓前后），在呼吸肌运动中起着核心作用。两者都包括各种类型，可以进行从温和的静息呼吸到剧烈运动时的呼吸的范围广泛的呼吸运动调节。

人在吸气时，胸腔的上下径和前后径都增加。上下径的增加主要是膈肌运动的效果，前后径的增加主要是肋间内肌和肋间外肌运动的结果。成年人膈肌的面积约为300平方厘米，安静状态下的活动度约为1.2厘米，单纯的膈肌活动可以在安静状态下带来300毫升的吸气量，约占安静状态下吸气量的70%。膈肌从形态上分为肋骨侧和食道周围两部分，其中肋骨侧部分面积占膈肌总面积的70%。人的膈肌的肌纤维胚胎时期10%是有氧能力强的Ⅰ型肌纤维，出生后增加到20%，1年后增长为50%，剩余的是Ⅱa型和Ⅱx型（收缩速度快但持久力差）肌纤维。长时间的耐力性运动增加了总呼吸次数，使得膈肌单位时间的活动次数增加；而抗阻力运动则是增加了膈肌的单次收缩力。

对于有呼吸系统疾病，如支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等的患者，呼吸肌训练可以很好地改善膈肌功能，改善疾病的预后。特别是COPD已经成为继心脏病、脑卒中后的世界上第3大病死原因。COPD患者的通气功能和换气效率下降，通过增加气道抵抗的抗阻训练，可以增加膈肌厚度和肺容量，提高最大吸气压，改善通气功能和换气效率。

运动的肋间肌应答

人的呼吸系统肌肉分为两大类：呼吸肌和辅助呼吸肌。其中膈肌、肋间内肌和肋间外肌属于呼吸肌。随着运动强度的增加，最大运动强度下的通气量可以增加至安静状态的10～20倍。这么大的增加比例，光有呼吸肌工作是不够的，还需要呼吸肌周围的肌肉辅助做功，所以这些辅助做功的肌肉群被称作辅助呼吸肌。吸气时，主要是胸部的肌肉，包括胸大肌、胸小肌、斜方肌、胸锁乳突肌和前锯肌等；呼气时，主要是腹部的肌肉，包括腹直肌、腹横肌、腹斜肌等。辅助呼吸肌起到了增加通气量和补偿呼吸肌疲劳的作用。

安静状态下，通气量较低，吸气功能主要由膈肌完成，呼气是被动的，整个呼吸过程中肋间肌和肋间外肌肉的活动贡献值很小。但安静状态下，增加通气量的时候，呼吸肌做功指数增加，肋间肌群的血流量也直线增加，而非呼吸肌的血流量基本保持不变，可见增加通气量需要改变呼吸肌血流的供给状态。

在渐增式运动中，随着运动强度增加，肋间肌肉群的血氧饱和度先是保持不变；但当运动强度超过呼吸代偿点，进入高强度运动时，血氧饱和度开始下降，这可能是呼吸代偿点后过度换气引发辅助呼吸肌群耗氧量增加的缘故。此外，当进入高强度负荷时，肋间肌群的氧解离增强，而活动做功的肌肉的氧解离停滞，机体优先为呼吸肌供氧，这也被称作呼吸肌的血流窃血现象。运动负荷不同，肋间肌的血流量也不同，60%最大运动强度下的肋间肌血流量最大，80%最大运动强度时肋间肌血流量开始下降，100%最大运动强度时血流量达到安静状态的水平。高强度状态下，肋间肌群的血流量减少可能与交感神经亢进引发的肋间肌群的末梢血管收缩相关联。