2번째 환기역치 구간이란?

환기란 무엇인가? 환기는 공기가 외부에서 폐로 들어오고 나오는 과정을 말한다. 보일의 법칙에 따르면 공기의 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있다. 우리 신체는 외부 압력과 폐 압력의 차이를 만들어 호흡을 한다. 흡기시 횡경막이 수축을 하여 흉강의 부피를 확장시켜 흉강 내 압력이 낮아지게 된다. 흉강 내 압력이 외부의 압력보다 낮기 때문에 공기가 내부로 유입된다.

국내전문용어로 역치 혹은 문턱으로 표현되는 threshold는 스포츠 의학에서 운동강도 혹은 대사과정이 변하는 구간을 칭한다.

우리가 처음 운동을 한다고 가정해보자. 우리의 몸은 특정 동작에 알맞게 심리적, 생리학적, 화학적, 기계적인 변화를 나타낸다. 특정 동작을 주기적으로 반복을 한다면 우리의 몸은 이에 적응하게 되고 이전 운동강도를 더욱 쉽게 받아들인다. 그래프상으로 보면 문턱값이 오른쪽으로 밀려난 것을 확인할수 있다. 즉, 문턱값은 현재 퍼포먼스 지표 및 건강상태를 나타낸다.

2번째 환기역치 구간은 이산화탄소배출량이 첫번째로 체계적으로 증가함으로 인해 호흡량이 급속히 증가한 구간을 칭한다. 체내에서 이산화탄소배출량이 증가함으로 인해 많은 양의 공기를 요구한다. 2번째 환기역치점 이후 구간을 고강도 구간으로 칭하기도 한다. 2번째 환기역치 구간이 어떤 용도로 쓰이는지 알기 위해 역사적 흐름을 살펴볼 필요가 있다.

초기 최대산소섭취량은 퍼포먼스를 진단하기 위한 유일한 지표로서 사용되었다. 하지만 산소섭취가 더 이상 늘어나지 않는 지점(Leveling-Off) 가 필수적이라 환자에게 적절치 않았다. 또한 최대산소섭취량에 도달하기 위해 실험 참가자의 의지와 동기부여가 중요했다. 이에 조금 낮은 강도로 퍼포먼스를 진단하기 위한 지표개발의 필요성이 요구되어 Karlman에 의해 anaerobic threshold와 respiratory compensation point (호흡보상점) 이 발견되었다.

젖산이 처음 상승하는 지점을 anaerobic threshold (무산소 역치)라 칭하였는데 독일 학계에서는 이 지점을 유산소 영역이라고 부른다. 이에 용어혼동을 막기 위해 anaerobic threshold를 aerobe Schwelle (유산소 역치)와 첫번째 환기역치라 부르고 respiratory compensation point (호흡보상점)을 anaerobe Schwelle (무산소 역치)와 두번째 환기역치라고 정리했다.

두번째 환기역치가 무산소 역치보다 뒤에 나타난다는 연구결과도 많이 있다는 점도 알아두자.

2번째 환기역치 구간의 학문적 토대

2번째 환기역치 구간은 젖산축적과 고강도로 부터 비롯되는 이산화탄소와 수소이온 배출과 밀접한 관련을 가지고 있고 아래와 같은 특징을 나타낸다.

1. 젖산축적으로 인한 이산화탄소와 수소이온 배출

2. 고강도운동으로 인한 이산화탄소와 수소이온 배출

3. 과호흡 (병리학적 과호흡과 구분됨)

4. 가스교환비율 - RER

5. 이산화탄소 환기당량 증가

젖산축적으로 인한 이산화탄소와 수소이온 배출

포도당은 체내에서 에너지원으로 활용된다. 에너지원으로 활용되는 과정에서 포도당은 피루브산으로 변화한다. 유산소 운동 시 포도당을 활용할 경우 피루브산은 크렙스 회로를 통해 에너지원으로 재활용 되지만, 무산소 운동 시 포도당을 활용할 경우 피루브산은 젖산으로 변화한다. 피루브산과 젖산에서 수소이온이 방출된다.

체내 수소이온 수치를 나타낸 것이 PH 수치이다. 젖산 축적으로 인해 수소이온이 과도하게 방출되어 산성화가 나타난다. 이는 근육소포체에서 칼슘이온 방출을 방해하고 근육수축능력을 감소시킨다. 수소이온이 많이 방출되면 산성화를 막기 위해 체내에 존재하는 중탄산염이 수소이온과 결합하여 탄산으로 변하고 이산화탄소+물로 분해되어 체외로 방출된다. 젖산완충작용을 위해 배출되는 중탄산염도 약한 산성이기 때문에 과도한 중탄산염 배출은 재차 PH수치를 감소시킬수 있다.

젖산축적 -> 젖산완충작용 -> 중탄산염 배출 -> HCO3- + H+ <-> H2CO3 <-> CO2 + H2O

고강도 운동으로 인한 이산화탄소와 수소이온 배출

고강도 운동 시 이산화탄소 배출이 늘어난다. 조직에서 발생한 이산화탄소는 대부분 적혈구를 거쳐 폐로 운반되고 체외로 배출된다. 적혈구를 거쳐 폐로 운반되는 과정에서 이산화탄소는 다음과 같은 변화과정을 거친 후 배출된다. 이산화탄소 배출 과정에서 수소이온이 방출된다는 것을 확인할수 있다.

고강도-> 이산화탄소 배출-> CO2 + H2O<-> H2CO3 <-> HCO3- + H+ <-> H2CO3 <-> CO2 + H2O

고강도운동는 이산화탄소와 수소이온 배출과 밀접한 관련이 있음을 알수있다.

과호흡

중추 화학수용기와 말초 화학수용기는 PH수치, 이산화탄소분압, 산소분압을 감지하여 호흡을 조절한다. 공기의 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 혈액 내 이산화탄소 분압이 높아지면 중추수용기가 반응하여 호흡을 자극한다. 말초 화학수용기는 혈액 내 이산화탄소 분압 변화 감지에 둔감하다.

뇌는 혈액-뇌장벽을 통해 혈액으로부터 극성 분자들이나 이온들의 출입을 통제한다. 그러므로 수소 이온은 혈액에서 뇌로 직접 확산되지 못한다. 그러나 이산화탄소는 비극성 분자이므로 뇌로 확산될수 있고 뇌수에서 탄산의 형태로 용해되어 수소이온을 배출할수 있다. 이 수소 이온의 농도를 중추 화학 수용기가 감지하고 호흡중추를 자극하여 호흡을 조절한다.

가스교환비율

가스교환 비율은 이산화탄소 생성량을 산소 섭취량으로 나눈 것을 도식화한 것이다. 유산소 운동 시 이산화탄소 생성량이 적기 때문에 최저 0.7 정도 나타난다. 운동 강도가 높아짐에 따라 무산소 운동 시 이 비율은 1을 넘기게 된다. 운동 강도의 가스 교환 비율은 비례관계에 있다고 말할수 있다.

환기당량

1L의 산초를 흡입하거나 이산화탄소를 방출하기 위해 필요한 호흡량이 있다. 이를 환기당량이라 칭한다. 첫번째 환기역치가 나타나기 전 까지 산소 환기당량은(VE/VO2) 효율적인 호흡을 나타낸다. 운동을 시작하기 전 1L의 산소를 흡입하기 위해 25L의 공기가 필요했지만 100W 지점으로 강도를 올리는 과정에서 1L산소를 흡입하기 위해서 22-23L의 공기만 필요하다.

이후 호흡량이 비약적으로 상승하는 지점인 첫번째 환기역치 구간에서 산소 환기당량은(VE/VO2) 상승한다. 이후 두번째로 호흡량이 비약적으로 상승하는 지점인 두번째 환기역치 구간에서 이산화탄소 환기당량이(VE/VCO2) 상승한다. 환기당량을 통해 역치구간을 파악할수 있다.

축돌이 : 김기현
UEFA B-Lizenz / DFB B-Lizenz 유럽축구연맹 / 독일축구협회 B 라이센스 지도자 자격증 보유
koreaemile@gmail.com

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