Vì sao hít thở sâu giúp cơ thể khỏe mạnh hơn trong môi trường hiện nay? Giữa nhịp sống đô thị, phòng máy lạnh kín cửa, khói bụi và thói quen ngồi nhiều, điều làm chúng ta “mệt mỏi âm thầm” không chỉ là thiếu vận động — mà còn là chất lượng không khí và cách chúng ta thở mỗi ngày. Bài viết này giải thích một cách dễ hiểu nhưng có cơ sở khoa học: vì sao cơ thể cần cả O₂ lẫn CO₂, vì sao cảm giác “ngột ngạt” trong phòng kín thường đến từ CO₂ tích tụ chứ không phải thiếu oxy, và vì sao thở sâu – thở đúng có thể giúp bạn tỉnh táo hơn, ngủ tốt hơn và cải thiện sức bền. Đồng thời, bạn sẽ có những gợi ý thực tế để cải tạo bầu không khí sống: cách thông gió hiệu quả, hiểu về ngưỡng CO₂ trong không gian kín, và những thói quen nhỏ giúp “làm mới” môi trường của bạn mỗi ngày.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về tác động của oxy và khí cacbonic \(\big(\mathrm{CO_2}\big)\) lên con người — xét riêng rẽ và xét cùng nhau.
Một góc nhìn đang thu hút sự quan tâm hiện nay là xem vấn đề như một “cái nhìn kép”: vừa từ phía không khí được hít vào, vừa từ phía bên trong — tức là trong chính cơ thể. Nói theo cách khoa học hơn: vừa từ phía hô hấp ngoài (trao đổi giữa khí quyển và các tế bào trong phổi), vừa từ phía hô hấp trong (các quá trình trong tế bào và mô của cơ thể).
Giá trị trung bình của áp suất khí quyển ở mực nước biển xấp xỉ \(p_{\text{atm}} = 760\,\text{mmHg}\). Áp suất riêng phần của oxy vào khoảng \(160\,\text{mmHg}\), tương ứng gần \(21\%\). Oxy được cơ thể hấp thụ một phần, còn \(\mathrm{CO_2}\) được tạo ra như sản phẩm của các phản ứng oxy hóa.
Thành phần của không khí hít vào và thở ra được nêu trong bảng dưới đây.
| \(\mathrm{O_2}\) | \(\mathrm{CO_2}\) | \(\mathrm{Ar}\) | \(\mathrm{N_2}\) | |
|---|---|---|---|---|
| Không khí hít vào | 21% | 0,04% | 0,9% | 78% |
| Không khí thở ra | 16% | 4% | 0,9% | 78% |
Những con số này nói lên điều gì? Nitơ và argon hầu như không được cơ thể con người sử dụng (chúng là các khí trơ). Mức độ “hấp thụ” oxy không lớn — khoảng \(0{,}25\). Sau khi hít vào, cơ thể lại thở ra phần lớn lượng oxy. \(\mathrm{CO_2}\) gần như không có trong không khí hít vào nhưng lại được tạo ra tích cực trong các phản ứng oxy hóa của cơ thể.
Tỉ lệ oxy bị cơ thể “lấy đi” (21% → 16% tức giảm 5%) khá gần với tỉ lệ \(\mathrm{CO_2}\) được tạo ra (4%).
Tính trơ của nitơ và argon trong các quá trình trao đổi chất đã từng dẫn tới ý tưởng “loại bỏ” chúng khi phải sống lâu trong không gian kín. Theo hướng đó, các phi hành gia Mỹ trong những chuyến bay vũ trụ đầu tiên đã chuyển sang thở oxy tinh khiết. Khi chỉ dùng \(\mathrm{O_2}\), áp suất làm việc thấp hơn áp suất khí quyển và vào khoảng \(260\text{–}280\,\text{mmHg}\).
Tuy nhiên, khi thời gian bay tăng lên, trong môi trường oxy tinh khiết, các phi hành gia bắt đầu gặp vấn đề với đường hô hấp. Hơn nữa, khí quyển oxy tinh khiết cũng nguy hiểm hơn. Các nhà du hành vũ trụ Liên Xô/Nga ngay từ đầu đã sử dụng hỗn hợp không khí gần giống trên Trái Đất, dù điều đó đòi hỏi hệ thống tái sinh không khí phức tạp hơn. Ngày nay, trong các chuyến bay vũ trụ và trong tàu ngầm, người ta dùng thành phần khí quyển kiểu Trái Đất.
Góc nhìn từ bên ngoài
Khoảng nồng độ oxy trong không khí phù hợp cho sự sống
Khoảng giá trị của áp suất riêng phần oxy \(p_{\mathrm{O_2}}\) trong không khí, trong đó con người có thể duy trì hoạt động sống trong thời gian dài, bị giới hạn bởi:
Giới hạn dưới tương ứng với sự khởi phát của thiếu oxy, còn giới hạn trên là sự khởi phát của ngộ độc oxy. Theo tỉ lệ phần trăm, thiếu oxy ở người khỏe mạnh có thể xuất hiện khi hàm lượng \(\mathrm{O_2}\) trong không khí (xấp xỉ theo tỉ số \(\,p_{\mathrm{O_2}}/p_{\text{atm}}\,\)) nhỏ hơn \(14\%\) (với \(p_{\text{atm}} = 760\,\text{mmHg}\)).
Các số liệu này tương ứng với khả năng sinh tồn ở mực nước biển. Khi lên cao, áp suất giảm, điều này được thể hiện rõ qua các đường cong của áp suất khí quyển và áp suất riêng phần oxy (xem Hình 1).
Có thể thấy rằng начиная từ độ cao khoảng \(4{,}5\text{–}5\,\text{km}\), áp suất oxy trở nên thấp hơn giới hạn dưới cho phép là \(90\,\text{mmHg}\). Khi đó, áp suất không khí trong các phế nang vào khoảng \(105\text{–}110\,\text{mmHg}\), cũng khá gần giới hạn dưới. (Phần tiếp theo ở trang sau…)
Khi áp suất riêng phần oxy giảm xuống mức khoảng \(100\,\text{mmHg}\), các quá trình trao đổi trong cơ thể chậm lại; nhịp thở và nhịp tim tăng; thị lực và hoạt động của não suy giảm… Vì vậy ở độ cao lớn, con người không thể sống thường xuyên, lâu dài. Ngược lại, gần giới hạn trên của áp suất oxy, \(\mathrm{O_2}\) bắt đầu gây kích ứng đường hô hấp trên: xuất hiện khô rát cổ họng, ho…
Ước tính thời gian phát triển thiếu oxy khi ở trong không gian kín
Để minh họa, ta xét một vài tình huống có người ở trong không gian kín: một người bị kẹt trong thang máy có thể tích \(V=2\,\text{m}^3\); hai người trong phòng có \(V=30\,\text{m}^3\); một trăm người bị kẹt trong toa metro đã dừng, với \(V=250\,\text{m}^3\).
Trong mỗi trường hợp, ta ước tính thời gian \(\Delta t\) để nồng độ \(\mathrm{O_2}\) trong thể tích kín \(V\) (khi mọi người thở yên tĩnh) giảm từ mức ban đầu \(21\%\) xuống ngưỡng bắt đầu thiếu oxy, tức \(14\%\). Nhấn mạnh: là thở yên tĩnh, vì khi hoảng loạn thời gian này sẽ giảm mạnh.
Với thở yên tĩnh, mức tiêu thụ oxy xấp xỉ \(0{,}25\,\text{L/min}\). Vì \(1\) lít \(\mathrm{O_2}\) tương ứng khoảng \(5\,\text{kcal}\) năng lượng, nên \(0{,}25\,\text{L/min}\) tương đương:
Do mật độ cơ thể người khoảng \(\rho \approx 1000\,\text{kg/m}^3\), một người \(70\,\text{kg}\) chiếm thể tích khoảng \(V_{\text{cơ thể}} \approx 0{,}07\,\text{m}^3\) (tức \(70\) lít). Tính thêm quần áo, ta lấy ước lượng thể tích “chiếm chỗ” của một người là khoảng \(0{,}1\,\text{m}^3\) (100 lít).
Thang máy
Thể tích “không khí hữu dụng” (không bị cơ thể chiếm chỗ) khoảng \(1{,}9\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu trong đó là:
Thiếu oxy bắt đầu khi lượng oxy “hữu dụng” giảm còn:
Như vậy lượng oxy giảm từ \(400\) xuống \(270\) lít, tức giảm \(130\) lít. Với mức tiêu thụ \(0{,}25\,\text{L/min}\), thời gian là:
Phòng
Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(30\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu \(6{,}3\,\text{m}^3\), mức tối thiểu cho phép \(4{,}2\,\text{m}^3\). Tiêu thụ oxy \(0{,}5\,\text{L/min}\). Khi đó:
Toa tàu metro
Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(240\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu \(50\,\text{m}^3\), mức tối thiểu cho phép \(34\,\text{m}^3\). Tiêu thụ oxy khoảng \(25\,\text{L/min}\). Khi đó:
Trong các trường hợp trên (nếu không hoảng loạn), thời gian để thiếu oxy xuất hiện là khá dài. Nhưng trải nghiệm đời thường lại cho thấy ở metro hoặc thang máy bị kẹt thường “ngột ngạt”; thậm chí ngủ trong phòng đóng kín cửa sổ, sáng dậy cũng có cảm giác khó thở. Nhiều khả năng còn có cơ chế mạnh hơn gây khó chịu khi ở không gian kín — không phải do thiếu \(\mathrm{O_2}\), mà do sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\).
Nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí phù hợp cho sự sống
Khoảng nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) cho phép trong không khí được viết dưới dạng:
Lưu ý rằng hàm lượng \(\mathrm{CO_2}\) bình thường trong không khí là \(C_{\mathrm{CO_2}}=0{,}04\%\). Giới hạn trên chấp nhận được thường lấy \(C_{\mathrm{CO_2,\max}}=0{,}1\%\). Ta sẽ bàn kỹ hơn về giới hạn này ở phần sau; trước mắt, hãy dùng nó để đánh giá cho các không gian kín như thang máy, phòng, toa metro và cả lớp học.
Bây giờ ta áp dụng cách tính tương tự cho thời gian tích tụ nồng độ khí cacbonic đến ngưỡng trên. Giả sử một người trưởng thành trung bình thải \(\mathrm{CO_2}\) ra môi trường với lưu lượng \(q_{\mathrm{CO_2}} = 0{,}25\,\text{L/min}\).
Thang máy
Thể tích không khí hữu dụng (phần không khí tự do) trong thang máy là khoảng \(1{,}9\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\) là:
Phòng
Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(30\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\):
Toa tàu metro
Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(240\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\):
Lớp học
Xét thêm trường hợp lớp học có thể tích khoảng \(200\,\text{m}^3\) với \(25\) học sinh. Nếu một học sinh thải \(\mathrm{CO_2}\) với lưu lượng \(0{,}12\,\text{L/min}\) (xấp xỉ một nửa so với người lớn), ta có:
Các con số này đã gần với cảm nhận thực tế hơn, và giải thích vì sao cần thông gió: lỗ/ô thông gió ở trần thang máy, nhu cầu mở cửa sổ phòng định kỳ, đặc biệt là trong lớp học sau mỗi tiết, cũng như sự cần thiết của hệ thống thông gió trong метро.
Như vậy, chính sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín mới là yếu tố tác động mạnh, gây cảm giác khó chịu trước tiên. Vậy nó biểu hiện như thế nào?
Tài liệu cho thấy có hai dạng tác động: ngắn hạn (vài giờ) và dài hạn (lặp lại thường xuyên, tổng cộng nhiều giờ mỗi ngày). Với tác động ngắn hạn khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở vào vượt \(0{,}1\%\), có thể xuất hiện: mệt mỏi, đau đầu, giảm khả năng tập trung, ngủ kém…
Với tác động dài hạn khi mức \(\mathrm{CO_2}\) cao hơn \(0{,}1\%\), có thể xuất hiện vấn đề với hệ hô hấp (ho khan, viêm mũi…), suy giảm miễn dịch, và ухуд đi hoạt động của hệ tim mạch… Khi mức trên \(0{,}2\%\), khả năng tập trung giảm mạnh hơn, số lỗi tăng lên, v.v. theo xu hướng tăng dần.
Có thể cần một giới hạn nghiêm ngặt hơn cho mức \(\mathrm{CO_2}\) cho phép trong không khí thở vào, cỡ \(0{,}06\%\text{–}0{,}08\%\). Điều này càng thu hẹp thời gian có thể ở trong phòng không thông gió.
Một vấn đề khác của phòng không thông gió là khả năng không khí bị phân tầng. Vì \(\mathrm{CO_2}\) nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần, nó có thể “tụ” gần sàn và làm nồng độ там tăng. Tuy nhiên, quá trình này chậm, và chỉ cần có chuyển động không khí nhẹ cũng có thể trộn các lớp khí.
Cuối cùng, nhiều người nghĩ rằng trồng cây sẽ giúp vì cây nhả \(\mathrm{O_2}\) và hấp thụ \(\mathrm{CO_2}\). Nhưng điều này chủ yếu xảy ra ban ngày; вечером và ban đêm (khi không khí tươi đặc biệt cần), thực vật lại thải \(\mathrm{CO_2}\), làm vấn đề tích tụ càng nặng hơn.
Sự tích tụ khí CO trong phòng kín
Thoạt nhìn, khó hiểu vì sao khí cacbon monoxit \(\big(\mathrm{CO}\big)\) có thể xuất hiện trong phòng kín, nếu không có bếp củi hay lò sưởi thông gió kém ở gần. Tuy nhiên, tài liệu ghi nhận rằng bên cạnh \(\mathrm{CO_2}\), con người cũng thải ra một lượng nhỏ \(\mathrm{CO}\) — cỡ \(1{,}6\,\text{mL/h}\) (trong điều kiện bình thường). Nồng độ \(\mathrm{CO}\) tối đa cho phép đối với con người vào khoảng \(1\,\text{mg/m}^3\).
Các số liệu này đủ để tiếp tục ước tính thời gian tích tụ đến ngưỡng опасной концентрации của \(\mathrm{CO}\) trong thang máy, phòng, toa metro và lớp học. Để làm điều đó, ta chuyển từ thể tích sang khối lượng khí \(\mathrm{CO}\) tạo thành, dùng quan hệ quen thuộc: một mol khí ở điều kiện chuẩn chiếm thể tích \(22{,}4\,\text{L}\).
Với \(\mathrm{CO}\), khối lượng mol là \(28\,\text{g/mol}\), do đó \(1\,\text{mL}\,\mathrm{CO}\) có khối lượng khoảng \(1{,}25\,\text{mg}\). Vì vậy, mức \(1{,}6\,\text{mL/h}\) \(\mathrm{CO}\) thở ra bởi một người tương ứng khoảng \(2\,\text{mg/h}\) \(\mathrm{CO}\) đi vào không khí.
Trong Bảng 2 (ở phần tiếp theo) sẽ đưa các giá trị thời gian tích tụ của \(\mathrm{CO_2}\) và \(\mathrm{CO}\) tới các nồng độ nguy hiểm.
Bảng 2. So sánh thời gian suy giảm \(\mathrm{O_2}\) và tích tụ \(\mathrm{CO}\), \(\mathrm{CO_2}\)
| Tình huống | Số người | Thể tích, \(\text{m}^3\) | Thời gian \(\downarrow\,\mathrm{O_2}\) | Thời gian \(\uparrow\,\mathrm{CO}\) | Thời gian \(\uparrow\,\mathrm{CO_2}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| Thang máy | 1 | 1,9 | 8 giờ | 1 giờ | 5 phút |
| Phòng | 2 | 30 | 3 ngày | 13 giờ | 36 phút |
| Toa metro | 100 | 240 | 10 giờ | \(\approx 1\) giờ | 6 phút |
| Lớp học | 25 | 200 | — | 8 giờ | 40 phút |
Có thể thấy, sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín nguy hiểm hơn rõ rệt so với tích tụ \(\mathrm{CO}\), và còn “nguy hiểm hơn một bậc” so với việc nồng độ \(\mathrm{O_2}\) giảm xuống ngưỡng gây thiếu oxy.
Công suất hệ thống thông gió
Làm thế nào ước tính lưu lượng thông gió \(q_{\text{vent}}\) cần thiết để duy trì thành phần không khí bình thường? Nếu bỏ qua các quá trình quá độ và giả thiết không khí được trộn đều, kết quả cuối cùng khá đơn giản:
Ví dụ, nếu \(q_{\mathrm{CO_2}}=0{,}25\,\text{L/min}\) (tức một người thải khoảng \(15\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}\) mỗi giờ), với \(C_{\mathrm{CO_2,max}}=1\cdot 10^{-3}\) và \(C_{\mathrm{CO_2}}=4\cdot 10^{-4}\), ta được lưu lượng thông gió cần thiết khoảng \(420\,\text{L/min}\), tức khoảng \(25\,\text{m}^3/\text{h}\).
Nếu một người thải \(20\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}\) mỗi giờ, lưu lượng thông gió cần tăng lên khoảng \(33\,\text{m}^3/\text{h}\). Và nếu lấy ngưỡng cho phép tối đa “chặt” hơn một chút, chẳng hạn \(C_{\mathrm{CO_2,max}}=0{,}8\cdot10^{-3}\), thì lưu lượng sẽ tăng lên khoảng \(38\,\text{m}^3/\text{h}\) (khi thải \(15\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}/\text{h}\)) và khoảng \(50\,\text{m}^3/\text{h}\) (khi thải \(20\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}/\text{h}\)).
Nhiều hay ít? Thông gió tự nhiên có thể “mạnh” đến mức nào?
Làm sao để đảm bảo lượng không khí tươi như vậy? Chẳng hạn, nếu mở cửa, thì chỉ cần một khe hở nhỏ ở cửa cũng tạo ra trao đổi khí. Giả sử chênh lệch áp suất hai bên cửa là \(\Delta p = 10\,\text{Pa}\). Khi đó, qua mỗi \(\text{cm}^2\) khe hở có thể đi qua khoảng \(1\,\text{m}^3\) không khí mỗi giờ. Điều này có nghĩa là với \(\Delta p\) như vậy, chỉ cần một khe hở cao khoảng 2 m và rộng 1 cm đã có thể cho lưu lượng cỡ \(200\,\text{m}^3/\text{h}\).
Mức chênh áp \(10\,\text{Pa}\) là khá nhỏ (cỡ \(10^{-4}\) áp suất khí quyển) và hoàn toàn có thể xảy ra. Hiệu quả thông gió còn mạnh hơn nếu mở cửa và cửa sổ trong vài phút để “xả” nhanh không khí tù.
Ví dụ thực tế: giải cứu trong hang (Thái Lan)
Để minh họa, hãy xét tình huống liên quan đến oxy và \(\mathrm{CO_2}\) trong vụ giải cứu trẻ em mắc kẹt trong hang ở Thái Lan. Năm 2018, cả thế giới theo dõi chiến dịch cứu hộ đội bóng gồm 12 thiếu niên và huấn luyện viên, bị kẹt trong hang Tham Luang suốt 18 ngày (từ 23/6 đến 10/7) do mưa lớn làm ngập lối vào. Họ trú ẩn trong một “túi khí” nằm hoàn toàn bị nước chặn phía trước và cách xa cửa hang khoảng 5 km. Việc giải cứu càng khó khăn do có một đoạn hẹp nguy hiểm trên đường thoát ra (trong hình dưới được đánh dấu là “điểm nguy hiểm”).
Đặc điểm của đoạn khe hẹp trên đường bơi qua được minh họa ở Hình 3. Lực lượng cứu hộ phải liên tục bơm hút nước khỏi hang. Vì vậy, trong hang có mặt rất nhiều người: người hút nước, người chuẩn bị cho trẻ em ra ngoài, bác sĩ và những người phối hợp tổ chức chiến dịch.
Trong tình huống này, tất cả những điều đã bàn về hành vi của \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín đều trở nên đặc biệt quan trọng. Để chống lại sự giảm dần lượng oxy trong hang, người ta tổ chức cấp oxy bằng đường ống. Đồng thời, người ta nhận ra rằng sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong hang nguy hiểm hơn đáng kể so với việc thiếu \(\mathrm{O_2}\). Khi bơm \(\mathrm{O_2}\) vào phần trên của hang, dòng khí này đồng thời đẩy \(\mathrm{CO_2}\) ra ngoài. Cũng tính đến khả năng không khí bị phân tầng: phần \(\mathrm{CO_2}\) có xu hướng dồn xuống thấp. Đây là một trong các lý do khiến trẻ em và huấn luyện viên trú ở khu vực cao hơn trong hang.
Việc tìm kiếm và chuẩn bị cứu hộ kéo dài gần hai tuần. Trong thời gian đó, một kỹ sư/nhà sáng chế nổi tiếng là Elon Musk đã kịp chế tạo (từ các bộ phận liên quan đến tên lửa) một tàu ngầm mini cho một người và đưa tới Thái Lan. Tuy nhiên, do khe quá hẹp, phương án này không được sử dụng.
Tình hình mỗi ngày càng phức tạp. Cần sự hiện diện liên tục của những người hút nước (nếu không, hang có thể bị ngập hoàn toàn), và cần lắp đặt hệ thống ống để cấp oxy. Hơn chục thợ lặn bình khí đã vận chuyển nước, thực phẩm và các bình oxy vào sâu trong hang.
Có lúc, do \(\mathrm{CO_2}\) tích tụ, không thể chờ thêm: dọc tuyến đường từ trong hang ra cửa hang, người ta đặt nhiều bình oxy (mỗi bình tính cho khoảng một giờ sử dụng). Hàng nghìn người tham gia cứu hộ, trong đó có khoảng một trăm thợ lặn, đã bắt đầu chiến dịch. Ngày đầu, 13 thợ lặn cứu được 4 thiếu niên. Ngày thứ hai, 18 thợ lặn (cùng khoảng 70 người hộ tống) cứu thêm 4 em. Cuối cùng, ngày thứ ba, cứu nốt 4 em còn lại và huấn luyện viên, cùng 4 người vẫn ở lại trong hang. Thật đáng khâm phục!
Góc nhìn từ bên trong
Ở mức tế bào, “môi trường không khí” trong cơ thể hoàn toàn khác. Hàm lượng oxy trong tế bào thường chỉ khoảng \(1\text{–}2\%\) (ngoại lệ là hồng cầu, nơi có thể chứa tới \(96\text{–}98\%\) oxy), còn \(\mathrm{CO_2}\) trong tế bào khoảng \(6\%\). Nếu nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong tế bào giảm, các vấn đề về hô hấp có xu hướng tăng lên.
Ở Hình 4 trình bày sự phụ thuộc của thời gian đặc trưng mà một người bình thường (không phải vận động viên kỷ lục) có thể nín thở, nhịp tim và mức suy giảm cấp máu… theo nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong máu.
Từ các đường cong ở Hình 4 có thể rút ra kết luận chung: khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) giảm, thời gian nín thở giảm; khi tiến gần mức khoảng \(3\%\), tế bào có thể bị tổn hại nghiêm trọng; nhịp tim tăng nhanh; mức tưới máu các cơ quan suy giảm. Vì vậy, nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) “mong muốn” trong tế bào nên vào khoảng \(6\%\) hoặc thậm chí hơi cao hơn.
Bảng 3 dưới đây (trình bày hàm lượng oxy và \(\mathrm{CO_2}\) ở các “khoang” khác nhau trong cơ thể) cũng xác nhận các con số vừa nêu.
Bảng 3. Hàm lượng \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\)
| Môi trường | \(\mathrm{O_2}\) | \(\mathrm{CO_2}\) |
|---|---|---|
| Không khí hít vào, \(\%\) | 21 | 0,04 |
| Không khí thở ra, \(\%\) | 16 | 4 |
| Không khí phế nang, \(\text{mmHg}\) | \(105\text{–}110\) \(\,(14\%)\) | \(40\) \(\,(5\%)\) |
| Máu động mạch, \(\text{mmHg}\) | \(100\) | \(40\) |
| Máu tĩnh mạch, \(\text{mmHg}\) | \(40\) | \(46\) |
| Tế bào, \(\text{mmHg}\) | \(\sim 10\) | \(60\text{–}70\) |
Trong phổi diễn ra sự trao đổi \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\) giữa phế nang và máu. Phế nang là các cấu trúc tận cùng của phổi, giống như những “bọt khí” nhỏ, được bao quanh bởi mạng mao mạch (xem Hình 5). Qua thành phế nang (đường kính khoảng \(0{,}3\,\text{mm}\)), với số lượng phế nang trong phổi người cỡ một tỉ, và tổng diện tích bề mặt xấp xỉ \(100\,\text{m}^2\), quá trình trao đổi khí diễn ra rất mạnh: oxy đi vào máu, và gần như một lượng tương ứng \(\mathrm{CO_2}\) từ máu khuếch tán vào phổi.
Nói cụ thể hơn: trung bình trong một ngày, từ không khí phế nang vào máu đi vào khoảng \(500\,\text{L}\) oxy, đồng thời khoảng \(430\,\text{L}\) \(\mathrm{CO_2}\) từ máu đi vào không khí phế nang.
Phần mô tả chi tiết hơn về phế nang có thể xem trong sách của K. Yu. Bogdanov: “Vật lý trong vai trò nhà sinh học” (tủ sách “Kvant”, số 49, trang 133).
Điều gì “khởi động” cơ thể: \(\mathrm{O_2}\) hay \(\mathrm{CO_2}\)?
Hãy nhớ nghịch lý quen thuộc: “cái gì có trước — con gà hay quả trứng?” Nếu không xét đến tiến hóa, câu hỏi khó có lời giải. Nhưng khi xét đến tiến hóa, “quả trứng” có vẻ “có trước” vì nó cổ xưa hơn: trứng đã xuất hiện từ thời khủng long, còn chim chỉ là một nhánh phát triển sau đó. Theo nghĩa này, “trứng” có thể xem là “nguyên thủy” hơn chim.
Tương tự, ở đây câu hỏi là: cái gì “có trước”, hay nói cách khác, cái gì kích hoạt chuỗi quá trình trong cơ thể người: \(\mathrm{O_2}\) hay \(\mathrm{CO_2}\)? Trước kia người ta thường xem \(\mathrm{O_2}\) là первичным vì nó là nguồn năng lượng chủ yếu, thúc đẩy các quá trình sinh học. Nhưng hiện nay “con lắc” quan điểm đang nghiêng về phía \(\mathrm{CO_2}\). Người ta dần đi đến kết luận rằng chính sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong cơ thể mới là cơ chế “khởi động” ban đầu.
Khi \(\mathrm{CO_2}\) tích tụ trong cơ thể (do chuyển hóa chất béo và protein trong tế bào), nó tạo tín hiệu cho não rằng cần phải đưa \(\mathrm{CO_2}\) ra khỏi tế bào. \(\mathrm{CO_2}\) “bám” vào hồng cầu và được vận chuyển đến phế nang của phổi. Trên những “chỗ trống” vừa giải phóng trong “chuyến tàu” hồng cầu, \(\mathrm{O_2}\) sẽ “lên chỗ” và được mang đi khắp cơ thể.
Trình tự đúng hơn là: trước hết thở ra \(\mathrm{CO_2}\), sau đó mới hít vào \(\mathrm{O_2}\). Đồng thời, cùng với \(\mathrm{CO_2}\) ta cũng thở ra một phần oxy dư thừa.
Để hô hấp, cơ thể cần cả hai khí, được hồng cầu “chở” luân phiên. Máu tĩnh mạch có màu đỏ sẫm chủ yếu do \(\mathrm{CO_2}\), còn máu động mạch có màu đỏ tươi do \(\mathrm{O_2}\).
Tỉ lệ trung bình giữa lượng \(\mathrm{CO_2}\) và \(\mathrm{O_2}\) trong cơ thể người khỏe mạnh xấp xỉ \(3{:}1\) (khoảng \(6\%\ \mathrm{CO_2}\) và \(2\%\ \mathrm{O_2}\)).
Tương tác “bên ngoài” và “bên trong”
Như vậy, \(\mathrm{CO_2}\) là khí cần thiết cho sự sống và việc duy trì một mức \(\mathrm{CO_2}\) nhất định trong cơ thể là quan trọng. Thiếu \(\mathrm{CO_2}\) hay thừa \(\mathrm{CO_2}\) đều có hại.
Tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) quá cao thường xảy ra trong phòng kém thông gió: khi \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở vào lớn (trên khoảng \(0{,}08\%\text{–}0{,}1\%\)) thì mức \(\mathrm{CO_2}\) trong cơ thể cũng tăng (hậu quả đã thảo luận ở các phần trước). Nhưng thiếu \(\mathrm{CO_2}\) trong máu (dưới khoảng \(4\%\)) cũng nguy hiểm (xem Hình 4).
Khi nào có thể bị thiếu \(\mathrm{CO_2}\)?
Trường hợp điển hình là thở quá nhanh: ta thở ra quá nhiều \(\mathrm{CO_2}\) nên trong cơ thể còn lại quá ít. Khi thiếu \(\mathrm{CO_2}\), oxy bị “giữ chặt” vào hemoglobin trong hồng cầu. Ngay cả khi trong máu có nhiều \(\mathrm{O_2}\), nó vẫn ở dạng liên kết và khó đi vào mô. Nếu trong tình trạng đó lại cố thở nhanh hơn nữa thì chỉ làm vấn đề nặng thêm.
Vậy nên làm gì?
Vận động, tập гимнастика, chơi thể thao ngoài trời hoặc trong phòng thông thoáng — tất cả đều có xu hướng giúp tăng mức \(\mathrm{CO_2}\) phù hợp. Mao mạch giãn ra, thậm chí hình thành thêm mạng mao mạch mới; lưu lượng máu tăng; oxy tách khỏi hemoglobin tốt hơn và đi vào tế bào hiệu quả hơn.
Có một ví dụ khác cho thấy lợi ích của nhịp thở chậm hơn: trong chạy bộ, vận động viên đôi khi được khuyên (khi đã mệt) hãy cố nín thở lâu hơn một chút để “mở” trạng thái gọi là “hơi thở thứ hai”, nhờ đó có thể tiếp tục chạy.
Sơ cứu: hô hấp nhân tạo “miệng kề miệng”
Trong sơ cứu khi nạn nhân ngừng thở, một phương pháp hiệu quả là hô hấp nhân tạo “miệng kề miệng” (kết hợp với ép tim ngoài lồng ngực). Người cứu (thổi) thường được hướng dẫn thổi vào nạn nhân với tần số khoảng \(12\text{–}15\) lần mỗi phút.
Nghe có vẻ vô lý, vì ở đầu bài ta đã nhấn mạnh thành phần không khí hít vào là khoảng \(21\%\ \mathrm{O_2}\) và \(0{,}04\%\ \mathrm{CO_2}\). Nhưng khi thổi “không khí thở ra”, ta đang đưa vào hỗn hợp khoảng \(16\%\ \mathrm{O_2}\) và \(4\%\ \mathrm{CO_2}\). Dù vậy, trong không khí thở ra vẫn còn oxy với nồng độ cao hơn mức tối thiểu cho phép \((16\% > 13\text{–}14\%)\). Đồng thời, nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) cao hơn lại có ích vì nó kích thích trung khu hô hấp của não, giúp khởi phát phản xạ thở và góp phần làm “mở” phế nang.
Tình huống này có chút tương tự sơ cứu khi tim ngừng đập: người cứu cần làm rung/chấn động lồng ngực (ví dụ đánh/đập đúng kỹ thuật) để “kích hoạt” lại hoạt động tim. Với hô hấp, vai trò của \(\mathrm{CO_2}\) trong cấp cứu vì vậy cũng khác so với trong nhịp thở спокойный thường ngày.
Cách tăng nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở ra
Trong cuộc sống hằng ngày, con người ở “chế độ tự động” thường thực hiện khoảng \(15\) chu kỳ hít–thở mỗi phút (mỗi chu kỳ kéo dài xấp xỉ \(4\) giây). Tỉ lệ thời gian hít vào và thở ra thường vào khoảng \(1:1{,}3\).
Ý nghĩa của nhiều bài tập thở là tăng hàm lượng \(\mathrm{CO_2}\) trong máu bằng cách: nín thở, thả lỏng, làm chậm nhịp thở hoặc tạo “cản” nhẹ khi thở. Khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng (tới một mức phù hợp, khoảng \(8\%\) theo bài viết), khả năng cơ thể sử dụng \(\mathrm{O_2}\) được cải thiện. Các метод khác nhau đạt điều này bằng: nín thở sau khi hít vào hoặc sau khi thở ra, kéo dài thì thở ra, kéo dài thì hít vào, hoặc kết hợp. Nói cách khác, mục tiêu là làm cho pha thở ra dài hơn đáng kể so với pha hít vào.
Một trong các phương pháp nổi tiếng được nhắc đến là hệ thống Buteyko: thở nông kèm nhịp nín thở. Mục tiêu là giảm “lãng phí” oxy và làm cơ thể “giàu” \(\mathrm{CO_2}\) hơn. (Phần tiếp theo ở trang sau…)
Ví dụ, có kiểu nhịp thở gồm: hít vào \(2\) giây, thở ra \(4\) giây, sau đó là nín thở \(4\) giây. Như vậy, một chu kỳ kéo dài \(10\) giây, tương ứng khoảng \(6\) chu kỳ mỗi phút.
Trong thực hành yoga, người ta thường xem thở ra dài là đúng: tỉ lệ thời gian hít vào và thở ra có thể vào khoảng \(1:5\). Thậm chí có ý kiến cho rằng trong trạng thái thiền sâu, một yogi có thể “đủ dùng” chỉ với khoảng \(2\) chu kỳ hít–thở mỗi phút! Phản ứng đầu tiên thường là: điều đó không thể. Nhưng rồi xuất hiện một gợi ý bất ngờ: nhịp thở cực chậm ở các yogi có thể liên quan đến vai trò lớn hơn của hô hấp qua da.
Hô hấp qua da có “đáng kể” không?
Quả thật, điều này không hẳn là vô lý. Diện tích da người (phủ khoảng 5 triệu sợi lông) vào khoảng \(1{,}5\text{–}2\,\text{m}^2\). Trong khi đó, tổng diện tích bề mặt của khoảng 600 triệu phế nang trong phổi vào khoảng \(100\,\text{m}^2\).
Nếu so sánh thô, thì ở mức khoảng \(1\%\text{–}2\%\), da có thể “đóng góp” một phần chức năng hô hấp.
Các phép đo cho thấy: qua da, cơ thể thải ra khoảng \(2\%\) lượng \(\mathrm{CO_2}\) và hấp thụ xấp xỉ \(1\%\) lượng \(\mathrm{O_2}\). Hơn nữa, qua da cơ thể còn thải ra khoảng \(800\,\text{g}\) hơi nước mỗi ngày — thậm chí còn nhiều hơn lượng hơi nước thải qua phổi!
Hít thở sâu không phải “mẹo thần kỳ”, nhưng là một thói quen nhỏ có thể tạo khác biệt lớn — nhất là khi chúng ta sống trong không gian kín, ít thông gió và dễ tích tụ \(\mathrm{CO_2}\). Chỉ cần bạn hiểu cơ thể cần gì và chủ động cải thiện bầu không khí xung quanh, sức khỏe sẽ thay đổi theo hướng tích cực hơn mỗi ngày.
Bạn thường làm gì để không gian sống “dễ thở” hơn: mở cửa sổ theo khung giờ, dùng quạt thông gió, đặt cây xanh, hay có mẹo nào khác? Hãy để lại bình luận để mọi người cùng học hỏi nhé.
0 nhận xét:
Đăng nhận xét