生理学/气体交换原理

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(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:

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(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)

N2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)

动脉血 混合静脉血 组织
PO2 12.9-13.3 5.32 4
(97-100) (40) (30)
PCO2 5.32 6.12 6.65
(40) (46) (50)
32 呼吸气体的交换 | 气体在肺的交换 32
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