生理学/气体交换原理

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生理学

呼吸
- 呼吸气体的交换
  - 气体交换原理
  - 气体在肺的交换
  - 气体在组织的交换

（一）气体的扩散

气体分子不停地进行着无定向的运动，其结果是气体分子从分压高处向分压低处发生净转移，这一过程称为气体扩散，于是各处气体分压趋于相等。机体内的气体交换就是以扩散方式进行的。单位时间内氧化扩散的容积为气体扩散速率（diffusion rate,D），它受下列因素的影响。

1．气体的分压差在混合气体中，每种气体分子运动所产生的压力为各该气体的分压，它不受其它气体或其分压存在的影响，在温度恒定时，每一气体的分压只决定于它自身的浓度。混合气的总压力等于各气体分压之和。

气体分压可按下式计算：

气体分压=总压力×该气体的容积百分比

两个区域之间的分压差（△P）是气体扩散的动力，分压差大，扩散快。

2．气体的分子量和溶解度质量轻的气体扩散较快。在相同条件下，各气体扩散速率和各气体分子量（MW）的平方根成反比。溶解度（S）是单位分压下溶解于单位容积的溶液中的气体的量。一般以1个大气压，38℃时，100ml液体中溶解的气体的ml数来表示。溶解度与分子量平方根之比（S/***）为扩散系数（diffusion coefficient），取决于气体分子本身的特性。CO₂的扩散系数是O₂的20倍，主要是因为CO₂在血浆中的溶解度（51.5）约为O₂的（2.14）24倍的缘故，虽然CO₂的分子量（44）略大于O₂的（32）。

3．扩散面积和距离扩散面积越大，所扩散的分子总数也越大，所以气体扩散速率与扩散面积（A）成正比。分子扩散的距离越大，扩散经全程所需的时间越长，因此，扩散速率与扩散距离(d)成反比。

4．温度扩散速率与温度（T）成正比。在人体，体温相对恒定，温度因素可忽略不计。综上所述，气体扩散速率与上述诸因素的关系是：

（二）呼吸气和人体不同部位气体的分压

既然气体交换的动力是分压差，则有必要首先了解进行气体交换各有关部位的气体组成和分压。

1．呼吸气和肺泡气的成分和分压人体吸入的气体是空气。空气的主要成分是O₂、CO₂和N₂，具有生理意义的是O₂、和CO₂。空气中各气体的容各百分比一般不因地域不同而异，但分压却因总大气压的变动而改变。高原大气压降低，各气体的分压也低。吸入的空气在呼吸道内被水蒸气所饱和，所在呼吸道内吸入气的成分已不同于大气，因此各成分的分压也发生相应的改变。

从肺内呼出的气体为呼出气，它来自两部分：无效腔的吸入气和来肺泡的肺泡气，是这两部分气体混合。

上述各部分气体的成分和分压如表5-2所示。

2．血液气体和组织气体的分压（张力）液体中的气体分压称为气体的张力（P），其数值与分压的相同。表5-3示血液和组织中的PO₂和PCO₂。不同组织的PO₂和PCO₂不同，同一组织的PO₂和PCO₂还受组织活动和水平的影响，表中值仅是安静状态下的大致估计值。

表5-2 海平面各气体的容积百分比ml%和分压kPa(mmHg)

	大气容积百分比	分压	吸入气容积百分比	分压	呼出气容积百分比	分压	肺泡气容积百分比	分压
O₂	20．84	21.15	19.67	19.86	15.7	15.96	13.6	13.83
		(159.0)		(149.3)		(120.0)		(104.0)
CO₂	0.04	0.04	0.04	0.04	3.6	3.59	5.3	5.32
		(0.3)		(0.3)		(27.0)		(40.0)
N₂	78.62	79.40	74.09	74.93	74.5	75.28	74.9	75.68
		(597.0)		(563.4)		(566)		(569)
H₂O	0.50	0.49	6.20	6.25	6.20	6.25	6.20	6.25
		(3.7)		(47)		(47)		(47)
合计	100.0	101.08	100.0	101.08	100	101.08	100	101.08
		(760)		(760)		(760)		(760)