Организм никаких запасов кислорода не имеет, кроме того, который поглощен при вдохе.
Недостаток кислорода в крови (гипоксемия), возникающий при понижении его парциального давления, непосредственно не возбуждает дыхательный центр. Человек не может заметить момент наступления опасной для жизни гипоксемии и теряет сознание, но имея никаких ощущений кислородного голодания (например, при постепенном подъеме на большие высоты, при угаре).
Недостаток кислорода в организме или в отдельных тканях называется гипоксией. Различают: 1) дыхательную гипоксию при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе или при нарушении регуляции дыхания, 2) циркуляторную — при нарушении кровообращения, 3) анемическую — при недостатке количества крови или при нарушениях ее дыхательной функции и 4) токсическую — при отравлениях некоторыми ядами.
Защитные приспособления организма различны в зависимости от типа гипоксии. Быстрее реагируют на гипоксию большие полуширин головного мозга и высшие органы чувств.
Недостаточное снабжение кислородом нейронов дыхательного центра (гипоксия) само по себе не возбуждает дыхательный центр. Гипоксия может вызвать возбуждение дыхательного центра лишь вторично вследствие накопления в нем большого количества кислот, которые не удаляются благодаря недостаточному снабжению его кислородом. Это накопление кислот сопровождается повышением концентрации водородных ионов. Возбуждение дыхательного центра вызывает усиление вентиляции легких, увеличенное удаление углекислого газа и, следовательно, понижение концентрации водородных ионов в крови.
Таким образом, дыхательный центр поддерживает постоянство pH в крови. При питании мясной пищей, которая богата кислотами, дыхательный центр возбуждается сильнее, дыхание усиливается, что ведет к ускоренному удалению углекислого газа и сохранению постоянства рН крови.
При питании растительной пищей, которая богата щелочами, возбуждение дыхательного центра снижается, дыхание уменьшается, что замедляет удаление углекислого газа и сохраняет постоянство рН в крови.
Возбуждающее действие углекислого газа на дыхательный центр было доказано в опыте на животных с перекрестным кровообращением.
Опыт Фредерика заключается в том, что под наркозом сонная артерия одной собаки соединяется с сонной артерией другой собаки таким образом, чтобы головной мозг каждой собаки получал кровь из тела другого животного. Если давать вдыхать одной из собак СО2, то вентиляция легких увеличивается не у нее, а у другой собаки. Точно так же удушье одной из собак, сопровождающееся накоплением у нее углекислоты в крови, вызывает усиление дыхания у другой собаки. Этот опыт не оставляет сомнения в том, что дыхательный центр возбуждается увеличением содержания углекислоты в омывающей его крови.
Доказано, что дыхание у людей в герметически замкнутом пространстве вызывает одышку (диспноэ), т. е. учащение и углубление дыхания.
При небольшом увеличении количества СO2 во вдыхаемом воздухе содержание его в альвеолярном воздухе благодаря возбуждению дыхательного центра и, увеличению вентиляции легких мало изменяется. При большом увеличении количества СО2 во вдыхаемом воздухе даже усиленная вентиляция легких не может возместить увеличения содержания его в альвеолярном воздухе. В результате затрудняется выделение СО2 кровью, парциальное давление его в крови увеличивается, что вызывает большое возбуждение дыхательного центра и сильную одышку.
После задержки дыхания независимо от желания наступает временное усиление дыхания (гиперпноэ) вследствие накопления углекислоты в крови.
Уменьшение содержания углекислоты в крови после усиленного дыхания понижает возбудимость дыхательного центра и вызывает задержку дыхания (апноэ) до того момента, пока содержание углекислоты в крови не дойдет до обычного уровня.
Поэтому усиленное дыхание в течение 2 мин сопровождается последующей задержкой дыхания в течение 65-260 секунд. Апноэ наступает, когда содержание углекислого газа в альвеолярном воздухе понижается более чем на 0,2%. После спокойного дыхания человек может задержать дыхание приблизительно на 75 секунде, а тренированный человек значительно дольше.