Jabarkan Pengendalian ventilasi dari Sistem pernapasan

Ventilasi paru-paru pada mamalia terjadi melalui pusat pernapasan di medula oblongata dan pons batang otak. Daerah-daerah ini membentuk serangkaian jalur saraf yang menerima informasi tentang tekanan parsial oksigen dan karbon dioksida dalam darah arterial. Informasi ini menentukan tingkat rata-rata ventilasi alveoli paru-paru untuk menjaga tekanan ini konstan. Pusat pernapasan melakukannya melalui saraf motorik yang mengaktifkan diafragma dan otot pernapasan lainnya.

Laju pernapasan meningkat ketika tekanan parsial karbon dioksida dalam darah meningkat. Peningkatan ini dideteksi oleh kemoreseptor gas darah pusat pada permukaan anterior medula oblongata.  Tubuh aorta dan tubuh karotis adalah kemoreseptor gas darah perifer yang sangat sensitif terhadap tekanan parsial arteri oksigen, meskipun mereka juga merespons, tetapi kurang kuat, terhadap tekanan parsial karbon dioksida.  Pada permukaan laut, dalam keadaan normal, kecepatan dan kedalaman pernapasan, lebih ditentukan oleh tekanan parsial arteri karbon dioksida daripada tekanan parsial arteri oksigen, yang dibiarkan bervariasi dalam kisaran yang cukup luas sebelum pusat pernapasan di medula oblongata dan pons menanggapinya untuk mengubah laju dan kedalaman pernapasan.

Latihan fisik meningkatkan laju pernapasan karena tambahan karbon dioksida dihasilkan oleh peningkatan metabolisme otot-otot yang berolahraga. Selain itu, gerakan pasif anggota badan juga secara refleks menghasilkan peningkatan kecepatan pernapasan. Informasi yang diterima dari reseptor peregangan di paru-paru membatasi volume tidal (kedalaman inhalasi dan ekshalasi).

Respons terhadap tekanan atmosfer rendah

Alveoli selalu terhubung ke atmosfer melalui saluran udara sehingga tekanan udara alveolar sama persis dengan tekanan udara di sekitar organisme tersebut, baik pada permukaan laut, pada altitudo (ketinggian) tertentu, atau dalam atmosfer buatan apa pun (misalnya ruang selam, atau ruang dekompresi). Ketika paru-paru membesar (akibat penurunan diafragma dan pembesaran sangkar rusuk), udara alveolar pun menempati volume yang lebih besar dan tekanannya turun secara proporsional. Konsekuensinya, udara di luar tubuh mengalir melalui saluran udara hingga tekanan udara di dalam alveoli kembali menjadi sama dengan tekanan udara di luar tubuh. Hal sebaliknya terjadi pada ekshalasi. Proses ini (inhalasi dan ekshalasi) berlangsung sama persis pada berbagai kondisi pada permukaan laut.

Akan tetapi, ketika seseorang berpindah naik untuk menjauh dari permukaan laut, kerapatan udara akan menurun secara eksponensial (lihat Gambar 13), yaitu turun menjadi separuhnya setiap kali ketinggian naik sebesar 5.500 m. Karena komposisi udara atmosfer di bawah ketinggian 80 km hampir selalu konstan, konsentrasi oksigen di udara (mmol oksigen per liter udara sekitar) berkurang dengan tingkat yang sama dengan turunnya tekanan udara seiring dengan ketinggian. Oleh karena itu, untuk menghirup oksigen dalam jumlah yang sama per menit, orang tersebut harus menghirup udara dengan volume yang lebih besar secara proporsional per menit pada daratan yang tinggi dibandingkan pada permukaan laut. Hal ini dicapai dengan bernapas lebih dalam dan lebih cepat (misalnya hiperpnea).

Walaupun demikian, ada komplikasi peningkatan volume udara yang perlu dihirup per menit (volume menit pernapasan) untuk memberi paru-paru sejumlah oksigen yang sama pada altitudo tinggi seperti pada permukaan laut. Selama inhalasi, udara dihangatkan dan dijenuhkan dengan uap air selama berjalan melalui rongga hidung dan faring. Tekanan uap air jenuh hanya tergantung pada suhu. Tekanan pada suhu inti tubuh 37 °C yaitu 6,3 kPa (47,0 mmHg), terlepas dari pengaruh lainnya, termasuk ketinggian. Jadi pada permukaan laut, dengan tekanan atmosfer sekitar 100 kPa, udara lembab yang mengalir dari trakea ke paru-paru terdiri dari uap air (6,3 kPa), nitrogen (74,0 kPa), oksigen (19,7 kPa), serta sejumlah kecil karbon dioksida dan gas-gas lain (sehingga totalnya 100 kPa). Pada udara kering, tekanan parsial oksigen di permukaan laut adalah 21,0 kPa (yaitu 21% dari 100 kPa), dibandingkan dengan 19,7 kPa oksigen yang memasuki udara alveolar (tekanan parsial oksigen trakea adalah 21% dari [100 kPa – 6,3 kPa] = 19,7 kPa). Di puncak Gunung Everest (pada ketinggian 8.848 m atau 29.029 kaki) tekanan atmosfer total adalah 33,7 kPa, dengan 7,1 kPa (atau 21%) adalah oksigen. Udara yang memasuki paru-paru juga memiliki tekanan total 33,7 kPa, dengan 6,3 kPa adalah uap air (seperti di permukaan laut). Hal ini mengurangi tekanan parsial oksigen yang memasuki alveoli menjadi 5,8 kPa (atau 21% dari [33,7 kPa – 6,3 kPa] = 5,8 kPa). Oleh karena itu, pengurangan tekanan parsial oksigen untuk udara yang dihirup, secara substansial lebih besar dibandingkan pengurangan tekanan atmosfer total pada ketinggian tertentu (pada Gunung Everest: 5,8 kPa vs 7,1 kPa).

Komplikasi minor lebih lanjut terjadi pada altitudo tinggi. Jika volume paru-paru secara instan menjadi dua kali lipat pada awal inhalasi, tekanan udara di dalam paru-paru akan berkurang setengahnya. Kondisi ini tidak dipengaruhi ketinggian. Dengan membagi dua tekanan udara pada permukaan laut (100 kPa), tekanan udara intrapulmoner akan menjadi 50 kPa. Dengan melakukan hal yang sama pada 5.500 m, yang tekanan atmosfernya hanya 50 kPa, tekanan udara intrapulmoner akan turun menjadi 25 kPa. Oleh karena itu, peningkatan volume paru-paru dua kali lipat pada permukaan laut akan menghasilkan perbedaan 50 kPa antara tekanan udara lingkungan dan udara intrapulmoner, sementara perbedaannya hanya 25 kPa pada ketinggian 5.500 m. Pada ketinggian ini, tekanan yang memaksa udara masuk ke paru-paru saat inhalasi hanya setengahnya. Oleh karena itu, laju aliran udara ke paru-paru saat inhalasi di permukaan laut besarnya dua kali lipat dibandingkan pada 5.500 m. Namun, pada kenyataannya, inhalasi dan ekshalasi berlangsung jauh lebih lembut dan tidak mendadak dibandingkan dengan contoh ini. Perbedaan antara tekanan atmosfer dan intrapulmoner, yang menggerakkan udara masuk dan keluar dari paru-paru selama siklus pernapasan, hanya berada dalam kisaran 2–3 kPa. Perbedaan ini bisa menjadi dua kali lipat atau lebih ketika terjadi perubahan yang sangat besar dalam upaya pernapasan pada altitudo yang tinggi.

Semua pengaruh tekanan atmosfer rendah terhadap pernapasan di atas diakomodasi terutama dengan bernapas lebih dalam dan lebih cepat (hiperpnea). Tingkat hiperpnea ditentukan oleh homeostat gas darah, yang mengatur tekanan parsial oksigen dan karbon dioksida pada darah arterial. Pada permukaan laut, homeostat ini memprioritaskan pengaturan tekanan parsial arterial karbon dioksida di atas oksigen. Dengan kata lain, pada permukaan laut, tekanan parsial arterial CO2 dijaga agar selalu mendekati 5,3 kPa (atau 40 mmHg) dalam berbagai keadaan, dengan mengorbankan tekanan parsial arteri O2, yang dibiarkan bervariasi dalam kisaran nilai yang sangat luas, sebelum respons ventilasi korektif dimunculkan. Namun, ketika tekanan atmosfer (dan karenanya tekanan parsial O2 di udara lingkungan) turun hingga di bawah 50-75% dari nilainya pada permukaan laut, homeostasis oksigen diprioritaskan di atas homeostasis karbon dioksida. Peralihan ini terjadi pada ketinggian sekitar 2.500 m (atau sekitar 8.000 kaki). Jika peralihan ini terjadi secara tiba-tiba, hiperpnea pada altitudo tinggi akan menyebabkan penurunan tekanan parsial arterial CO2 yang parah, dengan konsekuensi peningkatan pH plasma arterial. Ini adalah salah satu penyumbang penyakit altitudo tinggi. Di sisi lain, jika peralihan ke homeostasis oksigen tidak lengkap, hipoksia dapat memperumit gambaran klinis dengan hasil yang berpotensi fatal.

Bronkus kecil dan bronkiolus memiliki sensor oksigen. Sebagai respons terhadap tekanan parsial oksigen yang rendah pada udara yang dihirup, sensor-sensor ini secara refleks menyebabkan arteriolar paru menyempit. Ini adalah kebalikan dari refleks serupa pada jaringan, ketika tekanan parsial arteri oksigen yang rendah menyebabkan pelebaran (vasodilasi) arteriolar. Pada altitudo tinggi, hal ini menyebabkan tekanan arterial paru meningkat sehingga distribusi aliran darah ke paru-paru jadi lebih merata dibandingkan pada permukaan laut. Pada permukaan laut, tekanan arterial paru sangat rendah sehingga bagian atas paru-paru menerima darah jauh lebih sedikit dibandingkan bagian dasarnya, yang relatif terlalu banyak mengalami perfusi dengan darah. Hanya di bagian tengah paru-paru yang memiliki aliran darah dan aliran udara ke alveoli berada dalam kondisi ideal. Pada altitudo tinggi, variasi rasio ventilasi/perfusi alveoli dari bagian atas paru-paru ke bagian bawahnya dihilangkan. Semua alveoli mengalami perfusi dan ventilasi kurang lebih pada kondisi yang ideal secara fisiologis. Ini adalah kontributor penting selanjutnya untuk aklimatisasi ke altitudo tinggi dan tekanan oksigen rendah.

Ginjal mengukur kandungan oksigen (mmol O2 per liter darah, dan bukan tekanan parsial O2) pada darah arterial. Ketika kandungan oksigen dalam darah rendah secara kronis, seperti pada alitudo tinggi, sel-sel ginjal yang peka terhadap oksigen mengeluarkan eritropoietin (disingkat sebagai EPO) ke dalam darah. Hormon ini menstimulasi sumsum tulang merah untuk meningkatkan laju produksi sel darah merahnya, yang akan meningkatkan hematokrit darah dan meningkatkan kemampuannya dalam membawa oksigen (karena kandungan hemoglobin darah yang meninggi). Dengan kata lain, pada tekanan parsial arterial O2 yang sama, seseorang dengan hematokrit tinggi membawa lebih banyak oksigen per liter darah dibandingkan orang dengan hematokrit yang lebih rendah. Oleh karena itu, penghuni dataran tinggi memiliki hematokrit yang lebih tinggi dibandingkan penduduk pada permukaan laut.