Hengitys

Hengitys tai respiraatio on ilman vetämistä hengitysteiden kautta keuhkoihin, joissa happea siirtyy sisäänhengitetystä ilmasta keuhkotuuletuksessa keuhkorakkuloiden kautta veren ja kudosnesteen kautta soluihin. Niissä happi kulutetaan soluhengityksessä^[1], josta syntynyt hiilidioksidi palaa keuhkoihin ja hengitetään ulos.^[2]

Aivojen hengityskeskus sijaitsee ydinjatkeessa. Keskuksen hermosoluista osa on aktiivisimmillaan sisäänhengityksen aikana ja osa uloshengityksen aikana. Hengityskeskuksen toiminnan säätelyyn kuuluvat sekä humoraalinen säätely että neuraalinen säätely. Humoraalisen säätelyn säätelytekijöistä tehokkain on hiilidioksidi, jonka liuetessa vereen muodostuvat vetyionit stimuloivat hengitystä.

Ylähengitysteitä ovat nenäontelo, nielu ja kurkunpää. Alahengitysteitä ovat keuhkot, henkitorvi, keuhkoputket, ilmatiehyet ja keuhkorakkulat. Hengityslihaksia ovat pallea, rintakehän kylkivälilihakset, niska-hartiaseudun apuhengityslihakset sekä vatsalihakset.^[3]

Kun ihminen hengittää nenän kautta, sisään menevä ilma kostuu ja lämpiää, ja siitä suodattuvat pois epäpuhtaudet. Näin ilma ärsyttää hengitysteiden limakalvoja mahdollisimman vähän.^[3] Hengitysteitä verhoaa hengitystie-epiteeli, joka on valekerrostunutta värekarvaepiteeliä. Värekarvat heiluvat jatkuvasti etenevinä aaltoina liikuttaen soluja peittävää limaa kohti nielua, josta ne joutuvat nielemisliikkeiden mukana mahalaukkuun. Limaan tarttuu hengitysilmasta mikrobeja, jotka hajoavat lähes täysin mahalaukussa.

Hengitysilma kulkee kahdessa sieraimessa vapaammin vuoron perään noin viiden tunnin jaksoissa. Tämän aiheuttaa nenän kuorikoiden paisuvaiskudos, joka on toisessa sieraimessa aina paisunut ja toisessa supistunut. Tämä niin sanottu nenäsykli antaa nenän limakalvoille aikaa levätä ja uusiutua.^[4]

Fyysisessä rasituksessa ja ponnistellessa ihminen saattaa vaihtaa nenähengityksen suun kautta tapahtuvaan hengitykseen.^[3] Siinä ilmaa saadaan keuhkoihin nenähengitystä nopeammin ja helpommin, koska suuhengityksessä vastus on levossa noin neljä kertaa ja rasituksessa noin yhdeksän kertaa pienempi kuin nenähengityksessä. Sen lisäksi ylähengitysteiden hengitysvastus pienenee liikunnan vaikutuksesta enemmän suun kautta hengitettäessä kuin nenähengityksessä. Suuhengityksen haittapuoli on se, että sisäänhengitysilma ei puhdistu, lämmity eikä kosteudu kuten nenän kautta hengitettäessä.^[5]

Sisäänhengityksessä pallealihas supistuu ja painuu alaspäin vatsaontelon elimiä vasten. Sen seurauksena rintakehän sisälle syntyy alipaine, jolloin ilma virtaa paine-eron suuntaan ja täyttää keuhkot. Samalla ylävatsa pyöristyy sekä rintakehä laajenee sivuille, ylös ja eteenpäin, kun uloimmat kylkivälilihakset nostavat kylkiluita ylöspäin.^[6][3]

Uloshengityksessä sisäänhengityslihakset rentoutuvat passiivisesti. Sen seurauksena rintakehä palautuu lepoasentoon ja pallea palautuu rintaonteloa vasten, jolloin keuhkoista virtaa ilmaa ulos. Uloshengitystä seuraa lyhyt tauko.^[3] Kun hengitys voimistuu, käytetään myös uloshengityslihaksia eli sisempiä kylkivälilihaksia ja vatsalihaksia.^[6]

Aikuinen ihminen vetää levossa kerralla keuhkoihinsa tyypillisesti noin puoli litraa ilmaa. Kun fyysinen ponnistelu lisää hapentarvetta, hengitys kiihtyy ja syvenee.^[7] Ihminen hengittää levossa yleensä 12–16 kertaa minuutissa. Voimakkaassa rasituksessa hengitystiheys voi nousta jopa 35–60 kertaan minuutissa. Hengittämistyö kuluttaa alle viisi prosenttia ihmisen kokonaisenergiankulutuksesta. Epätaloudellisessa hengityksessä kulutus voi nousta jopa 20–40 prosenttiin.^[3]

Hengitystavat on mahdollista jakaa neljään ryhmään sen mukaan, missä hengitys näyttää tapahtuvan.

1. Solisluuhengitys
2. Rintahengitys
3. Vatsahengitys
4. Syvähengitys

Solisluuhengityksessä hartiat nousevat sisäänhengityksen aikana. Rintahengityksessä rintakehän yläosa kohoaa ja vatsahengityksessä alavatsa pullistuu. Syvähengitystä pidetään teoriassa parhaana hengitystapana, sillä siinä keuhkot pääsevät täyttymään joka kohdasta tasapuolisesti kaikkien hengityslihasten osallistuessa toimintaan. Pallea laskeutuu, kylkivälilihakset nostavat kylkiluita, vatsa pullistuu, rintakehä leviää. Syvähengityksessä keskivartalon alue levenee kyljissä ja selässä sekä ylävatsan alueella. Syvähengitystä pidetään joissakin piireissä ainoana oikeana hengitystapana, ja muut kolme tapaa kuitataan virheellisiksi ^[8], mutta jopa oopperalaulajien on todettu käyttävän jotain muuta tapaa hengittää kuin syvähengitys ^[9] Syvähengitys ei ole sama asia kuin ilman vetäminen keuhkoihin ääriään myöten täyteen.

Kaasujen vaihto tapahtuu keuhkorakkuloissa eli alveoleissa. Happi siirtyy vereen ja kiinnittyy punasolun sisällä olevaan hemoglobiiniin. Aineenvaihdunnan lopputuotteena syntynyt ylimääräinen hiilidioksidi poistuu uloshengitysilman mukana.

Happi siirtyy lyhyen matkan vuoksi hyvin nopeasti keuhkorakkuloista vereen, jossa se kulkee suurimmaksi osaksi hemoglobiiniin eli verenpunaan sitoutuneena. Osa hapesta kuitenkin liukenee plasmaan ja punasolujen nesteeseen. Esimerkiksi häkä (CO) sitoutuu hemoglobiiniin estäen hapen sitoutumisen, joka selittää sen myrkyllisyyden. Kudosten hiussuonista happi siirtyy happiosapaineen ansiosta kudosnesteeseen ja siitä edelleen soluihin. Samalla tavoin siirtyy hiilidioksidi soluista ensin kudosnesteeseen ja siitä vereen. Veressä hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen hiilihappoa, joka dissosioituu vetyioniksi ja vetykarbonaatti-ioniksi. Tätä tapahtumaa katalysoivat tietyt punasolujen entsyymit. Hiilidioksidista noin 70 prosenttia kulkee veressä vetykarbonaattina. Vetykarbonaatti ja vetyionit muodostavat jälleen hiilidioksidia keuhkokapillaareissa. Hiilidioksidista noin 23 % kulkee veressä hemoglobiinin tai muihin plasman proteiineihin sitoutuneena ja noin 7 prosenttia hiilidioksidista on liuenneena vereen muuttumattomana hiilidioksidina. ^[10]

Perusaineenvaihdunnan kuona-aineena syntyvän hiilidioksidin (noin 200 ml/min) elimistö tuulettaa pois ensisijaisesti keuhkojen kautta tai varastoi verenkiertoon ja kudoksiin bikarbonaatti-ionina (HCO₃⁻) karboanhydraasi entsyymin avulla.^[11]

Lyhyen rasituksen, kuten juoksupyrähdyksen, aikana ihminen ei ehdi hengittää tietoisesti. Vasta kun ihminen pysähtyy, hän alkaa huohottaa. Sadan metrin juoksussa käytetty energia otetaan pääasiassa anaerobisesti lihaksiin säilötystä kemiallisesta energiasta, ja hapesta aerobisesti saatava energia vastaa vain 10 prosenttia käytetystä energiasta. Pitemmillä juoksumatkoilla aerobisen systeemin osuus kasvaa, ja on esimerkiksi 800 metrillä jo 60–70 prosenttia. Tämä johtaa happivajeeseen kehossa ja voimakkaaseen hengästymiseen juoksun jälkeen, kun keho palauttaa veren happipitoisuuden normaaliksi ja poistaa hiilidioksidin.^[12]

Pitkillä matkoilla hapensaanti ja hiilidioksidin poisto ovat oleellinen osa suorituskykyä ja asettavat sille rajat. Ihmisen keuhkot voivat kasvattaa rasituksen aikana yhden sisäänhengityksen ilmamäärän seitsenkertaiseksi normaaliin verrattuna ja hengityksen tihentyessä kokonaisilmamäärän 26-kertaiseksi 180 litraan minuutissa, josta happea on 38 litraa. Huippu-urheilijan hapenottokyky on paljon parempi kuin tavallisen ihmisen.^[13]

Soutajat ja uimarit säätelevät hengitysrytmiään suorituksen aikana, koska he tekevät ylävartalollaan säännöllistä syklistä liikettä suorituksen aikana. Useimmat uimarit hengittävät ulos silloin, kun he vetävät käsivartensa taaksepäin, ja sisään silloin, kun he työntävät käsivartensa eteen. Hitaassa vauhdissa soudettaessa uloshengitys alkaa, kun soutaja vetää airoista, ja päättyy, kun kädet on vedetty vartalon tasolle. Sisäänhengitys tapahtuu, kun airot siirretään vedenpinnan yläpuolella takaisin eteen. Kovemmassa vauhdissa soutaja hengittää kahdesti jokaisen vedon aikana.^[14]

Joissakin lajeissa, kuten jousiammunnassa, hengittäminen voi haitata suoritusta, joten urheilija pidättelee hengitystään suorituksen aikana.^[15]

Katso myös: Korkeuden vaikutus ihmiseen

Korkeassa ilmanalassa vähäinen happipitoisuus saa ihmisen aluksi hengittämään nopeammin. Koska tämä johtaa veren hiilidioksidipitoisuuden alenemiseen, hengitys ennen pitkää hidastuu. Tämä puolestaan voimistaa hypoksiaa eli hapenpuutetta. Keho mukautuu olosuhteisiin noin viikon kuluessa ja huono olo lakkaa. Korkeassa ilmanalassa voi sairastua vuoristotautiin. Vaara syntyy jo 2 500 metrin korkeudessa, ja vaaralliseksi se muodostuu 3 600 metrin korkeudessa. Korkeassa ilmanalassa, kuten Andeilla ja Tiibetissä, asuvat kansat ovat aikojen kuluessa sopeutuneet vähähappisuuteen. Vuorikiipeilijät sekä korkealle nousevat lentäjät ja kuumailmapallon matkustajat joutuvat käyttämään lisähappea pystyäkseen hengittämään ja pysyäkseen tajuissaan.^[16]

Merenpinnan alapuolella syvängöissä, kuten Kuolleenmeren seudulla, hapen paine on korkeampi kuin ylempänä. Tämä helpottaa hiukan hengitysvaikeuksista kärsivien ihmisten hengittämistä. Syvissä luolissa hengittäminen sen sijaan on vaikeaa, koska sinne ei tule happea korvaamaan uloshengitettyä hiilidioksidia.^[17]

Veden alla ihminen hengittää happisäiliön tai lyhyen snorkkelin eli ilmaputken avulla. Ihminen voi myös pidätellä hengitystä veden alla muutaman minuutin. Veden paine vaikeuttaa ilman vetämistä keuhkoihin. Paineen nopea laskeminen ylös noustessa voi aiheuttaa vaarallisen sukeltajantaudin.^[18]

Avaruudessa ei ole ilmaa eikä happea, joten siellä ei voi hengittää ilman mukaan otettua tai paikalla vedestä tuotettua happea sekä paineistettua tilaa. Tällöin avaruudessa hengittäminen ei eroa paljonkaan maapallolla hengittämisestä. Lepotiloja täytyy kuitenkin tuulettaa jatkuvasti, sillä muuten nukkuva ihminen herää yhtäkkisesti hiilidioksidipitoisen uloshengitysilman jäätyä hänen kasvojensa eteen.^[19]

Ihmisen hengitystapa voi muuttua hänen tunnetilansa muuttuessa, mikä näkyy nauramisena, itkemisenä tai haukottelemisena.^[15]

Hengitys nopeutuu, kun ihminen on stressaavassa tilanteessa ja sympaattinen hermosto on aktivoitunut. Kielteiset tunteet, kuten viha ja pelko, aiheuttavat hengityksen kiihtymistä^[20]. Vastaavasti hengitys rauhoittuu, kun ihmisellä on turvallinen ja rento olo, ja parasympaattinen hermosto on aktivoitunut.^[21]

Hengitystä voi vaikeuttaa jokin hengityssairaus, kuten keuhkoputkia ahtauttavavat astma ja keuhkoahtaumatauti. Keuhkoputket voivat myös tulehtua, tai toimivan keuhkokudoksen määrä olla vähentynyt.^[3]

Ihminen säätelee hengitystään tietoisesti esimerkiksi puhuessaan, laulaessaan, ululoidessaan ja soittaessaan puhallinsoitinta.^[15]

Hengitystä tietoisesti hidastamalla ihminen voi aktivoida parasympaattisen hermostonsa. Tällöin syke ja verenpaine alenevat ja keho rentoutuu.^[21] Rauhallisen palleahengityksen aktivoimista ja hengitysrytmin syventämistä käytetään rentoutusharjoituksena lievittämään ahdistuksen tunnetta.^[22] Joogaan kuuluu paljon hengitysharjoituksia.^[4]

Ihmiset osaavat pidätellä hengitystään eli olla hengittämättä tavallisesti noin kahteen minuuttiin asti. Maailmanennätys on yli 24 minuuttia. Aluksi olo voi olla rentoutunut, mutta noin puolen minuutin jälkeen keuhkoissa alkaa tuntua kipua, ja myöhemmin vatsa alkaa kouristella. Minuuttien kuluessa veren hiilidioksidipitoisuus kasvaa, ja ihminen alkaa tuntea huimausta. Noin viiden minuutin jälkeen hengityksen pidättäminen alkaa olla vaarallista. Pian sen jälkeen ihminen voi mennä tajuttomaksi, jolloin hengitys alkaa uudelleen automaattisesti.^[23]

Harkitusti suoritetulla hengityksen pidättämisellä voi olla joitain terveyshyötyjä, kuten rentoutuminen, vastustuskyvyn lisääntyminen, eliniän pidentyminen ja aivokudoksen uudistuminen.^[23]

Valaat voivat olla veden alla hengittämättä useita tunteja kerrallaan.

• Asfyksia
• Vapaasukellus
• Pahanhajuinen hengitys

• Williams, Edgar: Breathing: An Inspired History. Reaktion Books, 2021. ISBN 978 1 78914 362 1