呼吸气体的交换(气体交换原理肺通气/血流比值VA/Q组织)

　　一、气体交换原理

　　（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)

　　N₂在呼吸过程中并无增减，只是因O₂和CO₂百分比的改变，使N₂的百分比发生相对改变

表5-3 血液和组织中气体的分压kPa(mmHg)

　　二、气体在肺的交换

　　（一）交换过程

　　混合静脉血流经肺毛细血管时，血液PCO₂是5.32kPa(40mmHg)，比肺泡气的13.83kPa(104mmHg)低，肺泡气中O2便由于分压的差向血液扩散，血液的PCO₂便逐渐上升，最后接近肺泡气的PCO₂。CO₂则向相反的方向扩散，从血液到肺泡，因为混合静脉血的PCO₂是6.12kPa(46mmHg)，肺泡的PCO₂是5.32kPa(40mmHg)。（图5-8）。O₂和CO₂的扩散都极为迅速，仅需约0.3s即可达到平衡。通常情况下血液流经肺毛细血管的时间约0.7s，所以当血液流经肺毛细血管全长约1/3时，已经基本上完成交换过程（图5-9）。可见，通常情况下肺换气时间绰绰有余。

图5-8 气体交换示意图 数字为气体分压mmHg(1mmHg=0.133kPa)

图5-9 肺毛细血管血液从肺泡摄取O2（A）和向肺泡排出CO2（B）的过程

（(1mmHg=0.133kPa)）

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