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호흡계는 인체의 세포에 산소의 체내 공급과 이산화탄소를 제거하는 시스템이다. 순환계는 산소와 에너지원을 신체 조직 세포로 운반해 주는 시스템이다. 산소와 에너지원은 혈액을 통해서 공급된다. 운동을 하는 데 있어 호흡계와 순환계는 유기적으로 작용한다. 이러한 연합작용을 이해하기 위해서는 호흡계의 구조와 기능, 순환계의 구조와 기능을 알아야 한다.
호흡계와 순환계
호흡계와 심혈관계는 에너지 생산에 필요한 세포에 산소를 공급하고 세포 대사의 부산물인 이산화탄소를 방출하는 역할을 담당한다. 호흡계는 산소화된 공기가 기도를 통해 폐포로 들어가는 것을 촉진한다. 혈액과 공기 사이의 산소와 이산화탄소 교환을 환기라고 한다. 흡입된 산소는 순환계를 통해 세포로 운반되고, 추가적으로 세포는 이산화탄소를 생성하여 순환계를 통해 폐포로 운반된다. 이 과정에서 흡입된 이산화탄소는 호흡을 통해 몸 밖으로 배출되고, 흡입된 산소는 산화 과정을 통해 에너지로 전환된다. 호흡 과정은 다음과 같다. 첫째, 폐로 신선한 공기(산소)를 흡입하고 몸에서 공기(이산화탄소)를 배출하는 폐환기 과정. 둘째, 폐와 혈액 사이에 산소와 이산화탄소가 교환되는 외호흡. 셋째, 근세포막에서 산소를 흡입하고 몸에서 이산화탄소가 교환되는 내호흡으로 구분된다.
호흡계의 구조와 기능
호흡계는 기본적으로 에너지 생산에 필요한 산소를 외부로 부터 섭취하고 에너지 생산 과정에 생긴 이산화탄소를 배출한다. 호흡계의 구조를 살펴보면 호흡하는 동안 공기의 통로는 기도, 코, 입, 후두, 기관, 기관지, 세기관지로 구성된다. 즉 기도는 코안에서부터 세기관지까지를 말한다. 세기관지를 통해 공기는 폐포로 들어간다. 기도는 공기를 체온과 동일하게 조절하고 거르며 습하게 하는 작용을 한다. 폐는 수많은 폐포로 이루어져 있는데 가스교환이 이루어지는 호흡역이다. 폐포는 폐의 말단에 위치한 작은 공기주머니로서 폐모세혈관과의 접촉에 의해 가스교환이 이루어진다. 폐환기는 폐에 공기가 들어가고 나오는 과정을 말한다. 흡기와 호기로 구성된다. 폐포환기의 주된 목적은 폐포에 신선한 공기를 많이 환기시켜 가스교환을 효율적으로 하는 데 있다. 폐의 기능은 용적과 용량으로 구분된다. 용적은 액체 또는 가스와 같은 물질 자체가 차지하는 공간이며, 용량은 액체 또는 가스와 같은 물질을 수용할 수 있는 공간의 원래 크기를 의미한다. 용량은 두 가지 이상의 용적을 합친 것으로 말할 수 있다. 1회 호흡량은 안정 시에 0.4~1L이다. 몇 번의 정상호흡 후에 최대로 흡기했을 때 1회 호흡량을 초과한 공기용적을 흡기예비용적이라고 하며 약 2.5~3.5L이다. 정상호흡 후에 최대 호기를 했을 때를 호기예비용적이라고 하며 1.0~1.5L 정도이다. 한 번의 호흡에서 최대한으로 들이쉰 다음 최대한으로 내쉬었을 때 측정되는 공기량을 폐활량 또는 강제폐활량이라고 한다. 1회 호흡량에 흡기 및 호기 예비용적을 합한 것이다. 보통 여자의 경우 3~4L, 남자의 경우 4~5L이다. 최대 호기 후에도 폐에는 소량의 공기가 남아 있다. 이것은 잔기용적이라고 한다. 보통 남자의 경우 1.2~1.4L, 여자의 경우 1~1.2L이다. 따라서 폐활량과 잔기용적을 합한 것을 총 폐용량이라고 한다. 폐의 총용량을 구성하는 용적은 공기다. 용적은 상황에 따라 바뀔 수 있다. 운동 상황에서는 공기가 안정 시보다 더 많이 폐로 들어온다.
운동에 대한 호흡계의 반응과 적응
운동 시에는 증가된 에너지 요구를 충족시키기 위해 활동근에서 대사 활동이 활발하게 이루어지며, 이로 인해 운동할 때 일시적으로 호흡계의 기능이 증가한다. 장기간의 트레이닝을 통해 호흡계와 순환계가 적응 현상을 나타내게 된다. 운동을 하면 에너지 요구량이 증가하기 때문에 더 많은 산소를 흡입한다. 그리고 이산화탄소를 배출하기 위해 1회 호흡량과 호흡수가 증가하며, 이는 호흡중추에 위치한 연수에 의해 조절된다. 운동을 시작하기 직전에 환기량의 증가가 보이는데 이는 운동한다는 예측에서 일어난 대뇌피질의 자극에 의한 것이다. 운동을 시작하기 직전에는 대뇌피질에서 운동 예정에 대한 자극이 발생하여 환기량이 증가한다. 실제 운동을 시작하면 관절 운동으로 인한 신경 자극으로 인해 급격한 환기량 증가가 나타난다. 이러한 증가는 운동 중에 최대운동 시까지 서서히 증가하여 유지되며, 운동이 끝난 후에는 근육과 관절 자극의 감소로 인해 환기량이 감소한다. 이는 이산화탄소의 감소와 관련이 있다. 장기간의 트레이닝을 통해 호흡계는 적응현상을 보인다. 최대 운동 시에는 환기량이 증가하지만 최대 유산소 능력은 호흡근의 지구력과 근조직의 산소 이용 능력에 의해 결정된다. 폐 환기 능력만으로 유산소 운동 능력에 직접적인 영향을 미치는 것은 아니다. 지구력 트레이닝은 호흡근의 지구력을 향상시켜 폐 환기능력을 장시간 유지할 수 있도록 도와준다. 이러한 트레이닝은 호흡계의 기능을 강화하여 운동 능력을 향상하는 데 도움 된다.
순환계 구조와 기능
순환계는 심장, 혈관, 혈액의 구조로 구성된다. 체온조절, 질병에 대한 저항, 세포의 생명활동에 필요한 기능을 한다. 운동 시에도 필수적인 역할을 한다. 순환계의 주요 역할은 산소와 에너지원을 조질 세포로 운반해 주는 것이다. 산소와 에너지원은 혈액으로 공급된다. 심장에서 혈액을 보내고 혈관을 따라 각 조직세포로 운반된다. 조직 세포는 산소와 에너지원을 이용하여 ATP를 만든다. 세포호흡을 하여 이산화 탄소가 되면 이를 다시 혈관으로 보내고 폐로 운반된 후 호기를 통해 대기 밖으로 배출된다. 운동을 하면 더 많은 ATP를 만들어야 하므로 안정 시보다 더 많은 산소와 에너지원을 운반해야 한다. 그러므로 심장에서 더 많은 혈액을 내보내야 한다. 이를 통해 심박수, 1회 박출량, 심박출량, 혈압, 혈류 등이 영향을 미친다. 심장은 순환의 중추역할을 담당한다 심장은 심방과 심실이 각각 2개씩 있다. 그래서 우심방, 좌심방, 우심실, 좌심실로 구분된다. 혈액의 혈류는 심방 → 심실 → 혈관 순으로 이동한다. 혈액 순환은 폐순환과 체순환으로 구분된다. 폐순환은 우심실 → 폐동맥 → 폐 → 폐정맥 → 좌심방으로 순환된다. 체순환은 좌심실 → 대동맥 → 온몸의 모세혈관 → 대정맥 → 우심방으로 순환된다. 혈관은 동맥과 정맥이 있다. 동맥은 붉은색이고 심장에서 전신으로 혈액을 운반한다. 산소가 풍부하고, 높은 혈압에 견딜 수 있도록 두껍고 탄력이 있다. 신체 깊숙한 곳에 위치해 있다. 정맥은 푸른색이고 전신에서 심장으로 혈액을 운반한다. 산소가 제거된 혈액을 운반한다. 혈액이 반대 방향으로 흐르는 것을 방지하는 판막이 존재한다. 얇은 근육층이고 피부와 가까이 있다. 혈액은 산소 및 이산화탄소와 같은 기체를 운반하고, 영양소를 신체 전반에 공급하며, 노폐물을 제거하는 역할을 한다. 또한 신체 pH 농도를 맞추기 위해 항상성을 유지하고, 호르몬과 여러 물질들을 조직과 기관으로 운반한다. 혈액은 혈장과 적혈구, 백혈구와 혈소판으로 구성된다.
운동에 대한 순화계의 반응과 적응
운동 중에는 안정 시보다 골격근의 에너지 기질 및 산소 요구량이 증가한다. 최대 운동 중에는 근육으로의 혈류량이 안정 시 보다 증가한다. 혈관을 확장시키는 물질들이 혈관을 확장시켜 근육의 혈류량 증가에 기여한다. 운동에 대한 순환계의 반응은 안정 시보다 운동하는 근육으로 산소와 에너지기질을 더욱 많이 공급한다. 적응은 적응 전보다 운동하는 근육으로 산소와 에너지기지를 더욱 많이 공급한다. 유산소 운동 적응 후 생리적 반응을 살펴보면 안정 시 1회 박출량이 증가하고 심박수는 감소한다. 수축기 혈압이 낮아지고, 혈액량, 모세혈관밀도, 미토콘드리아 수가 증가한다. 최대한 강도 운동에서는 1회 박출량 증가와 심박수 감소, 동정맥 산소차 증가, 수축기 및 이완기 혈압 감소, 혈액량, 모세혈관밀도, 미토콘드리아 수가 증가한다. 마지막으로 최대 강도 운동에서는 1회 박출량 증가 심박수 변화 없거나 조금 감소, 심박출량 증가, 동정맥 산소차 증가, 산소섭취량 증가, 이완기 혈압 감소, 혈액량, 모세혈관밀도, 미토콘드리아 수가 증가한다.
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