איך האוויר נכנס
לריאות אין שריר משלהן שיכול למשוך אוויר פנימה. הן תלויות בחזה בתוך שכבה כפולה, דקה וחלקלקה, קרום הריאה (הצדר), שמחזיקה אותן צמודות לדופן החזה כמו כוס רטובה שנדבקת לשולחן. מה שבית החזה עושה, הריאות עושות אחריו.
השאיפה היא עבודה. הסרעפת, כיפה של שריר מתחת לריאות, מתכווצת ומשתטחת ומושכת את תחתית הריאות למטה. בנשימה עמוקה יותר גם השרירים שבין הצלעות מרימים את הצלעות למעלה והחוצה, כמו ידית של דלי שמרימים אותה, ובית החזה נעשה גם רחב ועמוק יותר. הריאות גדלות, האוויר שבתוכן מתפשט בנפח גדול יותר, והלחץ שלו יורד מעט מתחת ללחץ האוויר שבחוץ: בערך מילימטר כספית אחד בלבד, אבל זה מספיק כדי שאוויר יזרום פנימה דרך האף והפה.
הנשיפה במנוחה לא דורשת שום מאמץ. הסרעפת נרפית, הריאות המתוחות קופצות בחזרה כמו בלון שמשחררים, והאוויר נדחף החוצה. רק כשנושמים חזק, או מכבים נר בנשיפה, שרירי הבטן והשרירים שבין הצלעות לוחצים את האוויר החוצה מהר יותר.
נסו: העבירו את עומק הנשימה מ־500 mL ל־2,500 mL. הסרעפת יורדת הרבה יותר, והצלעות התחתונות נפתחות החוצה וקדימה.
במורד דרכי האוויר
האוויר יורד בקנה הנשימה (הטרכיאה), צינור באורך של כ־12 סנטימטרים שטבעות סחוס בצורת C מחזיקות אותו פתוח. מאחורי הקנה, במקום שבו הטבעות פתוחות, נמצא הוושט. בתחתיתו הקנה מתפצל לשני סימפונות, אחד לכל ריאה, והם מתפצלים שוב ושוב, כ־23 פעמים בסך הכול, לצינורות צרים יותר ויותר. האחרונים נפתחים לאשכולות של נאדיות זעירות, שקיקי אוויר: כ־400 מיליון מהן, כל אחת בקוטר של כחמישית המילימטר. אילו פרשו את דפנותיהן, הן היו מכסות כ־70 מטרים רבועים, רצפה של דירה קטנה.
דרכי האוויר רק מובילות אוויר; חמצן לא עובר דרך הדפנות העבות שלהן. יחד הן מכילות כ־150 מיליליטרים, הנפח המת. בסוף כל נשיפה הן מלאות באוויר שזה עתה עלה מהנאדיות, ולכן זה האוויר הראשון שהשאיפה הבאה דוחפת בחזרה למטה. ובסוף כל שאיפה, ה־150 mL האחרונים של האוויר הצח עדיין עומדים בדרכי האוויר, ויוצאים ישר בחזרה.
הסצנה מראה זאת בצבע. אוויר צח הוא בתכלת; אוויר שהיה למטה בנאדיות חוזר בענבר. הסתכלו על קנה הנשימה בזמן הנשיפה: האוויר הראשון שיוצא הוא כחול, אוויר צח שלא הגיע לנאדיות, ורק אחריו בא האוויר בצבע ענבר מעומק הריאות.
דרכי האוויר גם מנקות את האוויר. הן מצופות בריר דביק שלוכד אבק וחיידקים, ושערות זעירות ומכות על התאים שלהן מטאטאות אותו אל הגרון, ושם בולעים אותו.
איפה החמצן חוצה
בחרו נאדית תחת התקרבות לנאדית, והסצנה צוללת במורד דרכי האוויר אל אשכול אחד של נאדיות. כל נאדית עטופה ברשת של נימים, כלי הדם הצרים ביותר, צרים כל כך שתאי הדם האדומים עוברים בהם בטור אחד. בין האוויר לדם יש שתי דפנות דקות, של הנאדית ושל הנים, ויחד עוביין פחות מאלפית המילימטר.
שום דבר לא שואב את הגזים מצד לצד. כל גז נע בדיפוזיה, במורד הלחץ החלקי שלו: החלק של לחץ האוויר שהגז הזה תורם. באוויר יש 21% חמצן, ולכן בגובה פני הים, שם לחץ האוויר הוא 760 mmHg (מילימטרים של כספית), החמצן תורם כ־160 מהם. בנאדיות האוויר הצח מתערבב באוויר הישן ובאדי המים שכבר נמצאים שם, והחמצן מתייצב על כ־100 mmHg. הדם שחוזר מהגוף מגיע עם כ־40, ולכן החמצן זורם אליו. פחמן דו־חמצני, שכל תא מייצר בנשימה התאית, מגיע עם כ־46 ויוצא עם 40, ולכן הוא חוצה בכיוון ההפוך.
כמעט כל החמצן שהדם נושא רוכב על המוגלובין, החלבון האדום שממלא את תאי הדם האדומים. כל מולקולה שלו יכולה לשאת ארבע מולקולות חמצן, והתרשים שליד הסצנה מראה כמה הוא טעון בכל לחץ חמצן. העקומה בצורת S: תלולה בין 20 ל־60 mmHg, ושטוחה מעל כ־80. הדם מגיע טעון בשלושה רבעים ויוצא טעון בכ־98%, ולכן צבעו משתנה משזיף כהה לארגמן, כמו במחזור הדם.
נסו: כשהתקרבות לנאדית על נאדית, עקבו אחרי תא דם אדום שחוצה את הנאדית. הוא נעשה ארגמני ברבע הראשון של הדרך ומבלה את שארה כשהוא כבר מלא; מולקולות החמצן חוצות את הדופן במקום שבו הדם עדיין חסר חמצן.
מהר יותר או עמוק יותר?
במנוחה נושמים כ־12 פעמים בדקה, חצי ליטר בכל פעם: 6 ליטרים אוויר בדקה. אבל 150 mL מכל נשימה רק ממלאים מחדש את דרכי האוויר, ולכן לנאדיות מגיעים 12 × 350 mL, כ־4.2 ליטרים. הפס בתחתית התרשים מחלק כך את האוויר של כל דקה.
לכן נשימה שטוחה היא עסקה גרועה. גם עשרים וארבע נשימות של 250 mL מזיזות 6 ליטרים בדקה, אבל יותר ממחצית כל נשימה היא נפח מת, ולנאדיות מגיעים רק 2.4 ליטרים. שש נשימות איטיות של ליטר מזיזות אותם 6 ליטרים ונותנות לנאדיות 5.1.
נסו: קבעו את קצב הנשימה על 24 ואת עומק הנשימה על 250 mL. אותם 6 ליטרים בדקה גורמים עכשיו לפחמן הדו־חמצני להצטבר בנאדיות ולחמצן לרדת. אחר כך קבעו אותם על 6 ועל 1,000 mL.
הפחמן הדו־חמצני קובע את הקצב
במנוחה הגוף מייצר כ־200 mL פחמן דו־חמצני בדקה, והנשימה צריכה לסלק אותו באותו קצב שבו הוא נוצר. ככל שיותר אוויר צח מגיע לנאדיות, כך הפחמן הדו־חמצני שם מתייצב נמוך יותר: הכפילו את האוויר, והוא יורד בחצי. המוח עוקב מקרוב אחרי הפחמן הדו־חמצני, דרך החומציות שהוא נותן לדם, ומכוונן כל נשימה כדי להחזיק אותו סביב 40 mmHg. אחרי החמצן הוא עוקב הרבה פחות; בגובה פני הים יש ממנו בשפע.
לכן הדחף לנשום כשעוצרים את הנשימה בא מהצטברות הפחמן הדו־חמצני, לא מכך שהחמצן אוזל. נשימה רבה מהצורך, כמו בהתקף חרדה, שוטפת החוצה את הפחמן הדו־חמצני, מפחיתה את חומציות הדם ועלולה לגרום לסחרחורת ולעקצוץ באצבעות. במאמץ גופני השרירים העובדים מייצרים פי עשרה פחמן דו־חמצני, ונושמים מהר יותר ועמוק הרבה יותר כדי לעמוד בקצב.
נסו: העלו את קצב הנשימה ל־40 כשעומק הנשימה על 500 mL. עכשיו אתם נושמים יותר מפי שלושה מהאוויר שאתם צריכים; הפחמן הדו־חמצני בנאדיות יורד לכ־12 mmHg, והחמצן בדם כמעט לא עולה, כי הדם כבר היה כמעט מלא.
אוויר דליל
טפסו על הר, והאוויר עדיין 21% חמצן, אבל יש פחות אוויר: הלחץ שלו יורד בשליש עד גובה של 3,600 m ובשני שלישים בפסגת האוורסט. כל נשימה נושאת פחות מולקולות חמצן, הלחץ החלקי בנאדיות יורד, והדם יוצא מהריאות טעון פחות.
עקומת ה־S מסבירה למה כמעט לא מרגישים את אלפיים המטרים הראשונים. שם החמצן בנאדיות יורד מכ־100 לכ־64 mmHg, אבל זה עדיין על החלק העליון והשטוח של העקומה, והדם עדיין נטען מעל 90%. גבוה יותר הוא נופל אל החלק התלול, וכל מטר עולה הרבה יותר.
התשובה הראשונה של הגוף היא לנשום יותר. הפחמן הדו־חמצני והחמצן חולקים את הנאדיות, וככל שיש פחות פחמן דו־חמצני, נשאר יותר מקום לחמצן. בקירוב,
כאשר הוא החמצן באוויר הנשאף, אחרי שהתחמם והתלחלח, ו־ הוא הפחמן הדו־חמצני בנאדיות. כל 10 mmHg של פחמן דו־חמצני שנושפים החוצה מחזירים כ־12 של חמצן. במשך ימים ושבועות הגוף גם מייצר יותר תאי דם אדומים. לאנשים שנולדו גבוה בהרי האנדים או בטיבט יש התאמות נוספות.
נסו: לחצו על לה פס, בגובה 3,640 m. בנשימת מנוחה הדם יוצא טעון בפחות מ־80%. עכשיו העלו את קצב הנשימה ל־18 ואת עומק הנשימה ל־600 mL, כמו שנושמים האנשים שחיים שם, והוא חוזר מעל 90%. אחר כך נסו את פסגת האוורסט: בנשימת מנוחה אין מספיק חמצן כדי להישאר בהכרה. כשקצב הנשימה על 40 ועומק הנשימה על 2,500 mL, הדם עדיין נטען רק בכ־70%. מטפסים שמגיעים לפסגה בלי בלוני חמצן מצליחים פחות מזה, כי השרירים העובדים שלהם צורכים הרבה יותר חמצן מגוף במנוחה.
מה המודל הזה משמיט
הסצנה היא מודל של אדם מבוגר במנוחה במצב יציב: היא שואלת היכן הגזים בנאדיות היו מתייצבים אילו המשכתם לנשום כך, כשהגוף צורך 250 mL חמצן ומייצר 200 mL פחמן דו־חמצני בדקה. בחיים, המוח היה משנה מהר את הנשימה כדי שהפחמן הדו־חמצני לא יתרחק הרבה מ־40, ובנשימה מועטה מאוד או רבה מאוד אף אחד לא נשאר זמן רב במצב יציב.
כל הנאדיות נחשבות כאן כאחת. ריאות אמיתיות אינן אחידות: התחתית שלהן מקבלת יותר אוויר ויותר דם מהחלק העליון, והשניים אף פעם לא מתאימים זה לזה בדיוק, ולכן בדם שיוצא מהריאות יש מעט פחות חמצן ממה שהמודל נותן. הנפח המת קבוע על 150 mL, זרימת הדם על 5 ליטרים בדקה, וההמוגלובין עוקב אחרי עקומה תקנית שאינה זזה עם החומציות והטמפרטורה, כמו שהמוגלובין אמיתי זז. לחץ האוויר עוקב אחרי מדידות שנעשו על האוורסט; הלחץ האמיתי משתנה גם עם מזג האוויר וקו הרוחב.
בית החזה הוא ציור מפושט. אונות הריאות, הלב וכלי הדם בערך בגודל ובמקום הנכונים, אבל דרכי האוויר מתפצלות הרבה פחות פעמים מבמציאות, וכל נקודת אוויר מייצגת כ־2 mL. הנאדית, הנימים שלה והמולקולות שבה מצוירים בקני מידה שונים מאוד, כדי שכולם ייראו יחד.