جهاز تنفسي
تنظيم عملية التنفس > الاستجابة للضغوط الجوية المنخفضة

الحويصلات الهوائية المفتوحة (عبر مجاري الهواء) إلى الغلاف الجوي ، تجعل ضغط الهواء السنخي مساوي لضغط الهواء الجوي . مع توسع الرئتين ، يحتل الهواء السنخي حجمًا أكبر ، وينخفض ضغطه ، مما يتسبب في تدفق الهواء عبر الممرات الهوائية ، حتى يعود الضغط في الحويصلات الهوائية مرة أخرى يساوي ضغط الهواء الجوي. يحدث العكس أثناء الزفير. هذه العملية (الشهيق والزفير) هي نفسها تمامًا عند مستوى سطح البحر ، أو في قمة جبل إيفرست ، أو في غرفة الغوص أو غرفة الضغط.
ومع ذلك ، عندما يرتفع المرء فوق مستوى سطح البحر ، تنخفض كثافة الهواء إلى النصف تقريبًا عند ارتفاع 5500 مترًا . نظرًا لأن تكوين الهواء الجوي ثابت تقريبًا عند أقل من 80 كم ، ونتيجة لتأثير التغيرات المستمرة للطقس ، فإن تركيز الأكسجين في الهواء يكون (مليمول من الأكسجين/ لتر من الهواء المحيط) ينخفض في نفس الوقت معدل انخفاض ضغط الهواء مع الارتفاع. لذلك ، من أجل تنفس نفس كمية الأكسجين في الدقيقة ، يجب على الشخص أن يستنشق حجمًا أكبر نسبيًا من الهواء في الدقيقة عند ارتفاع أعلى من مستوى سطح البحر. يتم تحقيق ذلك عن طريق التنفس بشكل أعمق وأسرع (أي فرط التنفس).
ومع ذلك ، هناك من مضاعفات تزيد من حجم الهواء الذي يجب استنشاقه في الدقيقة لتوفير نفس كمية الأكسجين للرئتين على ارتفاع كما هو الحال عند مستوى سطح البحر. أثناء الاستنشاق يتم تسخين الهواء وتشبعه ببخار الماء أثناء مروره عبر ممرات الأنف والبلعوم . يعتمد ضغط بخار الماء المشبع على درجة الحرارة. فعند درجة حرارة الجسم الطبيعية ( 37 درجة مئوية)، يكون الضغط 6.3 كيلو باسكال (47.0 مم زئبق) ، بغض النظر عن أي تأثيرات أخرى ، بما في ذلك الارتفاع. وهكذا عند مستوى سطح البحر ، حيث يبلغ الضغط الجوي حوالي 100 كيلو باسكال ، يتدفق الهواء الرطب إلى الرئتين من القصبة الهوائية. ويتكون من بخار الماء (6.3 كيلو باسكال) والنيتروجين (74.0 كيلو باسكال) والأكسجين (19.7 كيلو باسكال) وكميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى (إجمالي 100 كيلو باسكال). في الهواء الجاف ، يكون الضغط الجزئي للأكسجين عند مستوى سطح البحر 21.0 كيلو باسكال (أي 21٪ من 100 كيلو باسكال) ، مقارنة بـ 19.7 كيلو باسكال في الأكسجين الذي يدخل الهواء السنخي. (الضغط الجزئي للأكسجين في القصبة الهوائية هو 21٪ ويكون يعادل حينها [100 كيلو باسكال - 6.3 كيلو باسكال] = 19.7 كيلو باسكال). عند قمة جبل إيفرست (على ارتفاع 8848 مترًا من مستوى سطح البحر) يبلغ إجمالي الضغط الجوي 33.7 كيلو باسكال ، منها 7.1 كيلو باسكال (أو 21٪) أكسجين. يبلغ إجمالي ضغط الهواء الداخل إلى الرئتين أيضًا 33.7 كيلو باسكال ، منه 6.3 كيلو باسكال بخار الماء (كما هو الحال عند مستوى سطح البحر). هذا من شأنه أن يقلل الضغط الجزئي للأكسجين الذي يدخل الحويصلات الهوائية إلى 5.8 كيلو باسكال (أو 21٪ من [33.7 كيلو باسكال - 6.3 كيلو باسكال] = 5.8 كيلو باسكال). وبالتالي فإن الانخفاض في الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء المستنشق أكبر بكثير مما يوحي به انخفاض الضغط الجوي الكلي عند الارتفاع (على جبل إيفرست: 5.8 كيلو باسكال مقابل 7.1 كيلو باسكال).
توجد مضاعفات طفيفة أخرى يمكن ان يتسبب بها الارتفاع. إذا تضاعف حجم الرئتين على الفور عند بداية الاستنشاق ، فإن ضغط الهواء داخل الرئتين سينخفض إلى النصف. يحدث هذا بغض النظر عن الارتفاع. وبالتالي ، يؤدي خفض ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر إلى النصف (100 كيلو باسكال) إلى ضغط هواء داخل الرئة بمقدار 50 كيلو باسكال. عند القيام بالشيء نفسه على ارتفاع 5500 مترًا ، حيث يكون الضغط الجوي 50 كيلو باسكال فقط ، ينخفض ضغط الهواء داخل الرئة إلى 25 كيلو باسكال. لذلك ، ينتج عن نفس التغيير في حجم الرئة عند مستوى سطح البحر اختلاف 50 كيلو باسكال في الضغط بين الهواء المحيط والهواء داخل الرئة ، بينما ينتج عنه اختلاف 25 كيلو باسكال فقط عند 5500 م. وبالتالي ، فإن الضغط الدافع الذي يدفع الهواء إلى الرئتين أثناء الاستنشاق ينخفض إلى النصف عند هذا الارتفاع. المعدل _وبالتالي فإن تدفق الهواء إلى الرئتين أثناء الاستنشاق عند مستوى سطح البحر يكون ضعف ما يحدث عند 5500 متر. ومع ذلك ، في الواقع ، يحدث الاستنشاق والزفير بشكل أكثر بساطة وأقل مفاجأة مما في المثال المذكور. الاختلافات بين الضغط الجوي وضغط الرئة ، الذي يدفع الهواء داخل وخارج الرئتين أثناء دورة التنفس ، في حدود 2-3 كيلو باسكال فقط. يمكن تحقيق مضاعفة أو أكثر من هذه الفروق الصغيرة في الضغط فقط من خلال تغييرات كبيرة جدًا في جهد التنفس على ارتفاعات عالية.
يتم استيعاب جميع التأثيرات المذكورة أعلاه للضغوط الجوية المنخفضة على التنفس بشكل أساسي عن طريق التنفس بشكل أعمق وأسرع . يتم تحديد الدرجة الدقيقة لفرط التنفس عن طريق غازات الدم ، والذي ينظم الضغط الجزئي للأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الدم الشرياني. هذه الآلية تعطي الأولوية لتنظيم الضغط الشرياني الجزئي لثاني أكسيد الكربون على الأكسجين عند مستوى سطح البحر. هذا يعني أنه عند مستوى سطح البحر ، يتم الحفاظ على الضغط الشرياني الجزئي لثاني أكسيد الكربون عند مستوى قريب جدًا من 5.3 كيلو باسكال (أو 40 ملم زئبق) في ظل مجموعة واسعة من الظروف ، على حساب الضغط الشرياني الجزئي للأكسجين ، والذي يُسمح له بالتغير ضمن نطاق واسع جدًا من القيم ، قبل إثارة استجابة التنفس التصحيحية. ومع ذلك ، عندما ينخفض الضغط الجوي (وبالتالي الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء الجوي) إلى أقل من 50-75٪ عن قيمته عند مستوى سطح البحر ، تُعطى الأولوية لاستتباب الأكسجين على ثاني أكسيد الكربون. يحدث هذا التبديل على ارتفاع حوالي 2500 متر (أو حوالي 8000 قدم). إذا حدث هذا التبديل بشكل مفاجئ نسبيًا ، فإن فرط التنفس على ارتفاعات عالية سيسبب انخفاضًا حادًا في الضغط الشرياني الجزئي لثاني أكسيد الكربون ، مع ما يترتب على ذلك من ارتفاع في درجة الحموضة في بلازما الشرايين . ويعتبر أحد العوامل المساهمة في مرض المرتفعات العالية. من ناحية أخرى ، إذا كان التحول إلى توازن الأكسجين غير مكتمل ، فقد يؤدي نقص الأكسجين إلى تعقيد الصورة السريرية مع نتائج قاتلة.