Внутри каждой клетки находятся митохондрии, специализированные органеллы, в которых происходит клеточное дыхание: там кислород соединяется с глюкозой с образованием углекислого газа, воды и АТФ. АТФ является нашим основным источником энергии. Благодаря молекуле АТФ возможны многие процессы нашего организма, включая сокращение мышц, производство ферментов и движение молекул внутри наших клеток. АТФ запускает эти процессы путем отщепления одной из своих фосфатных групп, электроны которой находятся в высокоэнергетическом состоянии, и передавая эту энергию для активации необходимых процессов в клетке. Теперь, став аденозиндифосфатом, она возвращается в митохондрии, чтобы снова стать высокоэнергетическим трифосфатом в ходе непрекращающегося процесса клеточного дыхания.

Побочным продуктом использования кислорода и клеточного дыхания является углекислый газ (CO_>2), который в процессе диффузии переходит из клетки в кровь и снова в капилляры, по которым кровь теперь поступает в вены. Не используемый организмом, CO_>2 доставляется обратно в легкие нашей венозной системой и также за счет диффузии переходит в альвеолы. Оттуда воздух, теперь уже содержащий другую смесь газов, на выдохе при расслаблении диафрагмы выталкивается наружу через сеть бронхиол и бронхов и, наконец, изгоняется изо рта или носа снова в атмосферу. CO_>2 легко рассеивается в воздухе, где его концентрации очень низки – 0,04 % от всех газов атмосферы. Концентрация кислорода в атмосфере остается на сравнительно стабильном уровне – 21 %, поэтому на следующем вдохе мы сможем снова наполниться этой молекулой жизни. (Остальную часть атмосферы практически полностью составляет азот, безвредный, но и бесполезный для нас газ.)

Газообмен на уровне альвеол[4]

Наше ухо так точно настроено на дыхание спящих близких, потому что мы инстинктивно пониманием его важность: питаться мы можем нерегулярно, но дыхание должно быть непрерывным. Эта система должна быть идеально скоординирована, так как концентрации газов в нашей крови не должны выходить за пределы очень узкого диапазона значений. Рецепторы в аорте и сонной артерии постоянно контролируют уровни кислорода и углекислого газа и посылают сигналы обратной связи в дыхательный центр в стволе головного мозга. Даже малейшее изменение в уровнях газа будет инициировать больше или меньше сигналов на наши мышцы, управляющие дыханием. В кору головного мозга, высший отдел мозга, также подается сигнал обратной связи о процессах в дыхательном центре ствола мозга, оповещая нас о любой надвигающейся опасности. При этом возникает знакомое всем нам тревожное ощущение, если наш мозг чувствует, что с уровнями кислорода или углекислого газа что-то не так, например, когда мы задерживаем дыхание.

Углекислый газ – это то, что вызывает большинство симптомов при задержке дыхания, потому что при этом он начинает накапливаться в нашей крови и превращаться в кислоту. Эта кислота токсична для наших клеток, особенно когда начинает связываться с белками и другими молекулами, с которыми связываться не должна, препятствуя нормальному функционированию клеток. Если продолжать задерживать дыхание, проблемой также становится недостаток кислорода, и так как клеточное дыхание в наших митохондриях в случае нехватки кислорода прекращается, наступает клеточная смерть. Особенно чувствительны к этому клетки сердечной мышцы, и в экстремальных случаях, при слишком высокой концентрации углекислого газа или слишком низкой концентрации кислорода, может возникнуть сердечная аритмия. Дыхание – это самый важный процесс из тех, что мы осознаем, и организм строго следит за ним.