Стимулирующие действия углекислого газа на дыхательный центр обусловлены его действием через хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон и продолговатого мозга. В сосудистых рефлексогенных зонах (дуга аорты, каротидные образования) имеются рецепторы, чувствительные к недостатку кислорода и избытку углекислого газа и некоторым другим веществам. Так, при увеличении количества СО2 крови или уменьшении количества О2 раздражаются соответствующие хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон, в результате чего стимулируется дыхательный центр. Кроме того, дыхательный центр стимулируется импульсами от продолговатого мозга, где на глубине 0,2 мм расположены хеморецепторы, чувствительные к избытку в крови количеству углекислого газа.
Однако, имеется мнение, что дыхательный центр возбуждается угольной кислотой которая проникает непосредственно к дыхательным нейронам, диссоциирует на Н+ и НСОз-, а протон водорода действует стимулирующим образом на инспираторные нейроны.
Изменение интенсивности дыхания при мышечной работе может служить примером адаптационных (приспособительных) дыхательных рефлексов. Как известно, при мышечной работе изменяется функция внешнего дыхания - увеличивается вентиляция легких, при тяжелой мышечной работе возрастающая до 100 и более литров в минуту. Вместе с увеличением функциональной активности дыхательной системы возрастает и деятельность сердечно-сосудистой системы - повышается уровень систолического выброса и минутного объема кровообращения, потому что одна дыхательная система не может обеспечить возросшие потребности организма в кислороде. В обеспечении организма кислородом при мышечной нагрузке принимает участие и система крови, благодаря увеличению коэффициента усвоения кислорода и нарастанию количества эритроцитов в крови. Возрастание функциональной активности дыхательной системы при мышечной нагрузке обусловлено несколькими факторами.
Во-первых, увеличение внешнего дыхания происходит благодаря тому, что уменьшается количество кислорода в крови (кислородная задолженность) и накапливается углекислый газ, которые через соответствующие хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон и продолговатого мозга стимулируют дыхательный центр. Известное значение в этом процессе отводится накоплению и других кислых продуктов (молочная кислота и др.).
Во-вторых, дыхательный центр при мышечной нагрузке возбуждается также с проприорецепторов работающих мышц, которые так или иначе связаны с дыхательным центром.
В-третьих, увеличение функциональной активности дыхательного центра обусловлено условнорефлекторными механизмами (предстартовое изменение дыхания).
При нарушении функции дыхательной системы часто развивается кислородное голодание, приводящее к гибели организма. Уменьшение содержания кислорода в крови получило название гипоксемии, а в тканях - гипоксии. Показано, что не любая гипоксия связана с уменьшением кислорода в крови. Согласно, общепринятой классификации (1949) различают пять форм гипоксических состояний.
1. Дыхательная (гипоксическая гипоксия) наблюдается в основном при нарушении функции внешнего дыхания, связанной с различными заболеваниями, например, асфиксия, воспаление легких, приступ бронхиальной астмы, а также при уменьшении кислорода в окружающей среде, например, подъеме на высоту. Эта форма гипоксии сопровождается также снижением кислорода в крови.
2. Анемическая гипоксия встречается при уменьшении количества эритроцитов в крови, а также при образовании в крови метгемоглобина или карбоксигемоглобина (отравление угарным газом), что сопровождается нарушением отдачи кислорода гемоглобином.
3. Циркуляторная или застойная гипоксия. Имеет место при нарушении функции сердечно-сосудистой системы. Например, при декомпенсации на почве пороков сердца, коллапсе, ослаблении сократительной способности миокарда (инфаркт, приступ стенокардии и др.)
4. Гистотоксическая гипоксия наблюдается при отравлении цианидами, которые блокируют окислительные ферменты в тканях, переводящие молекулярный кислород в атомарный.
5. Мышечная гипоксия (гипоксия мышц) наблюдается при физической нагрузке.
Изменение функционального состояния дыхательной системы в условиях пониженного атмосферного давления при подъеме на высоту (альпинисты, парашютисты, пилоты и др.) связано с нарушением газообмена. Основным следствием понижения атмосферного давления является развитие в организме гипоксии, приводящей к развитию высотной болезни. Уменьшение содержания кислорода в атмосферном воздухе при понижении атмосферного давления сопровождается значительным снижением снабжения организма кислородом и изменением деятельности дыхательной системы. Выявлено также, что нарушение функции внешнего дыхания связано с уменьшением в организме углекислого газа, ведущее к падению возбудимости дыхательного центра. Различные системы организма человека и высших животных неодинаково чувствительны к кислородному голоданию. Наиболее чувствительной к этому фактору оказалась ЦНС и, особенно, ее высший отдел - кора головного мозга. Поэтому первые признаки высотной болезни связаны с нарушением функции этого отдела ЦНС.
Различают две фазы высотной болезни, связанные с нарушением корковых процессов. Первая фаза характеризуется тем, что повышает возбудимость этих отделов мозга, как следствие ослабления процесса активного внутреннего торможения, что выражается излишней болтливостью, подвижностью, необоснованной веселостью, жизнерадостностью, смелостью и другими проявлениями, которые выходят за пределы разумного поведения. Поведение человека напоминает легкую степень опьянения - эйфорию. Опасны случаи с альпинистами, когда подобная бесконтрольность приводила к трагическим случаям - неожиданно альпинист отсоединялся от связки и с непонятными возгласами бросался в пропасть. Кроме изменений со стороны высшей нервной деятельности, связанное в большей степени с нарушением психики, отмечаются различные вегетативные и другие сдвиги: головокружение, шум в ушах, тошнота, слабость, цианоз, возрастает функциональная активность внешнего дыхания (увеличивается глубина и частота дыхательных движений), возрастает минутный объем кровообращения за счет учащения пульса и силы сокращения сердца и другие симптомы. На какой высоте наблюдаются первые признаки высотной болезни? У разных людей по-разному, в зависимости от состояния адаптационных механизмов организма. Чаще всего первые симптомы высотной болезни появляются на высоте 3-3,5 км над уровнем моря.
При дальнейшем снижении атмосферного давления, соответствующего высоте 4-4,5 км, развивается вторая фаза высотной болезни, для которой, напротив, типично торможение нервной системы: люди становятся замкнутыми, малоконтактными, малоподвижными, наблюдается сонливость и другие признаки торможения. Такое состояние обусловлено развитием в высшем отделе мозга запредельного торможения, при этом ослабляется как процесс активного внутреннего торможения, так и процесс возбуждения. Нарастают и вегетативные изменения: еще в большей степени возрастает частота сердечных сокращений, глубина и частота дыхательных движений, головокружение, головные боли и др. Кислородная недостаточность приводит к тому, что даже самые незначительные физические усилия сопровождаются невероятной нагрузкой на сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы организма. Принято считать, что предел стойкости к высотной болезни сугубо индивидуален и находится на грани 9-10 км. Естественно, что дача кислородной подушки значительно уменьшает эти симптомы.