氣體交換

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1簡介 氣體交換

生物體環境中的氧氣吸進體內,同時把體內的氧化排到環境中的過程稱為氣體交換.單細胞原生動物通過體表與水之間進行氣體交換,其方式是將水中溶解的氧氣吸進體內,同時把體內的二氧化碳排到水中.高等的多細胞動物,包括人類在內,通過呼吸運動和血液循環,肺泡內的空氣肺部毛細血管內的靜脈血之間不斷地進行氣體交換.全部過程又可分為內呼吸和外呼吸兩個方面.

氣體交換屬於物質交換。

在人和高等動物有內呼吸與外呼吸之分。前者指組織細胞與體液之間的氣體交換過程,後者指血液與外界空氣之間的氣體交換過程。一般所稱呼吸系指外呼吸。外呼吸由胸廓節律性擴大和縮小,以及由此引起的肺被動的擴張(吸氣)、回縮(呼氣)和歇息而實現。健康成年人安靜時每分鐘約16至18次,而小童每分鐘約20至30次,每次吸入和呼出氣體約各為500毫升。人在各種不同條件下其呼吸型式亦不同。以肋骨運動為主者稱為「胸式呼吸」,以膈和腹壁肌運動為主者稱為「腹式呼吸」。

以氣體擴散的方式進行,各種氣體的擴散主要取決於各種氣體分壓差,氣體分壓差是氣體交換的動力。氣體在水中的分壓, 當氣體溶於水中和從水中溢出,回到空氣中達到平衡時,該氣體在空氣中的分壓即是它在水中的張力。因此與氣體的溶解度有關,和交換膜的通透性及交換面積有關。例如在房間的一角灑一些香水,我們在整個房間都會聞到香味,這就是香氣在空氣里擴散的結果。一種氣體總是從濃度高的地方向濃度低的地方擴散,直到平衡為止。

2種類人體的氣體交換包括肺與外界環境的氣體交換(肺的通氣)和體內的氣體交換。前者是通過呼吸運動實現的,後者包括肺泡內的氣體交換和組織里的氣體交換兩個過程,它們都是通過氣體的擴散作用實現的。

肺泡內的氣體交換髮生在肺泡與血液之間。當空氣XX肺泡后,由於肺泡中氧的含量高於血液中氧的含量,血液中二氧化碳的含量高於肺泡中二氧化碳的含量,所以肺泡中的氧擴散XX血液,血液中的二氧化碳擴散XX肺泡。肺泡內的氣體交換使血液中的氧的含量增多,二氧化碳含量減少。這種含氧豐富的血經血液循環到達身體各處。

組織里的氣體交換髮生在血液與組織細胞之間。由於組織細胞不停地消耗氧併產生二氧化碳,因而組織處氧的含量低於血液中氧的含量,二氧化碳的含量高於血液中二氧化碳的含量,氧就由血液擴散XX組織細胞,而組織細胞內的二氧化碳擴散XX血液。這樣,組織細胞所需要的樣就源源不斷地得到補充,產生的二氧化碳則被及時運走。

原理

氣體的擴散 組織里的氣體交換示意圖

氣體分子不停地進行著無定向的運動,其結果是氣體分子從分壓高處向分壓低處發生凈轉移,這一過程稱為氣體擴散,於是各處氣體分壓趨於相等。機體內的氣體交換就是以擴散方式進行的。單位時間內氧化擴散的容積為氣體擴散速率(diffusion rate,D),它受下列因素的影響。

1.氣體的分壓差 在混合氣體中,每種氣體分子運動所產生的壓力為各該氣體的分壓,它不受其它氣體或其分壓存在的影響,在溫度恆定時,每一氣體的分壓只決定於它自身的濃度。混合氣的總壓力等於各氣體分壓之和。

氣體分壓可按下式計算:

氣體分壓=總壓力×該氣體的容積百分比

兩個區域之間的分壓差(△P)是氣體擴散的動力,分壓差大,擴散快。

2.氣體的分子量和溶解度質量輕的氣體擴散較快。在相同條件下,各氣體擴散速率和各氣體分子量(MW)的平方根成反比。溶解度(S)是單位分壓下溶解于單位容積的溶液中的氣體的量。一般以1個大氣壓,38℃時,100ml液體中溶解的氣體的ml數來表示。溶解度與分子量平方根之比(S/***)為擴散係數(diffusion coefficient),取決於氣體分子本身的特性。CO2的擴散係數是O2的20倍,主要是因為CO2在血漿中的溶解度(51.5)約為O2的(2.14)24倍的緣故,雖然CO2的分子量(44)略大於O2的(32)。

3.擴散面積和距離擴散面積越大,所擴散的分子總數也越大,所以氣體擴散速率與擴散面積(A)成正比。分子擴散的距離越大,擴散經全程所需的時間越長,因此,擴散速率與擴散距離(d)成反比。

4.溫度 擴散速率與溫度(T)成正比。在人體,體溫相對恆定,溫度因素可忽略不計。

呼吸氣和人體不同部位氣體的分壓 肺泡里的氣體交換示意圖

既然氣體交換的動力是分壓差,則有必要首先了解進行氣體交換各有關部位的氣體組成和分壓。

1.呼吸氣和肺泡氣的成分和分壓 人體吸入的氣體是空氣。空氣的主要成分是O2、CO2和N2,具有生理意義的是O2、和CO2。空氣中各氣體的容各百分比一般不因地域不同而異,但分壓卻因總大氣壓的變動而改變。高原大氣壓降低,各氣體的分壓也低。吸入的空氣在呼吸道內被水蒸氣所飽和,所在呼吸道內吸入氣的成分已不同於大氣,因此各成分的分壓也發生相應的改變。

從肺內呼出的氣體為呼出氣,它來自兩部分:無效腔的吸入氣和來肺泡的肺泡氣,是這兩部分氣體混合。

海平面各氣體的容積百分比ml%和分壓kPa(mmHg):

大氣(ml%)

分壓kPa(mmHg)

吸入氣(ml%)

分壓kPa(mmHg)

呼出氣(ml%)

分壓kPa(mmHg)

肺泡氣(ml%)

分壓kPa(mmHg)

O2

20.84

21.15(159.0)

19.67

19.86(149.3)

15.7

15.96(120.0)

13.6

13.83(104.0)

CO2

0.04

0.04(0.3)

0.04

0.04(0.3)

3.6

3.59(27.0)

5.3

5.32(40.0)

N2

78.62

79.40(597.0)

74.09

74.93(563.4)

74.5

75.28(566)

74.9

75.68(569)

H2O

0.50

0.49(3.7)

6.20

6.25(47)

6.20

6.25(47)

6.20

6.25(47)

合計

100.0

101.08(760)

100.0

101.08(760)

100

101.08(760)

100

101.08(760)

2.血液氣體和組織氣體的分壓(張力)液體中的氣體分壓稱為氣體的張力(P),其數值與分壓的相同。血液和組織中的PO2和PCO2。不同組織的PO2和PCO2不同,同一組織的PO2和PCO2還受組織活動和水平的影響,表中值僅是安靜狀態下的大致估計值。

血液和組織中氣體的分壓kPa(mmHg):

動脈血

混合靜脈血

組織

kPa

mmHg

kPa

mmHg

kPa

mmHg

PO2

12.9-13.3

97-100

5.32

40

4

30

PCO2

5.32

40

6.12

46

6.65

50

[1]

氣體交換受呼吸表面的影響表面薄:方便氣體的擴散。

表面潮濕:氧氣要先溶於水中才能擁入體內的血液。同樣的二氧化碳必須溶於水中才能擴散出體外。

表面積大:以加速氣體的交換速率。

密集的微血管網:方便交換后氣體的運輸。

3主要功能呼吸道(氣道)包括鼻、咽、喉(上呼吸道)和氣管支氣管及其在肺內的分支(下呼吸道)。隨著呼吸道的不斷分支,其結構和功能均發生一系列變化,氣道數目增多,口徑減小,總橫斷面積XX,管壁變薄,這些變化有重要的生理意義。

調節氣道阻力通過調節氣道阻力從而調節進出肺的氣體的量、速度和呼吸功。

保護功能環境氣溫、濕度均不恆定,而且可含塵粒和有害氣體,這些都要危害機體健康。但是,呼吸道具有對吸入氣體XX加溫、濕潤過濾、清潔作用和防禦反XX等保護功能。

加溫濕潤作用主要在鼻和咽,而氣管和支氣管的作用較小。一般情況下,外界空氣的溫度和溫度都較肺同為低。由於鼻、咽粘膜有豐富的血流,並有粘液腺分泌粘液,所以吸入氣在達氣管時已被加溫和被水蒸氣所飽和,變為溫暖而濕潤的氣體XX肺泡。如果外界氣溫高於體溫,則通過呼吸道血流的作用,也可以使吸入氣的溫度下降到體溫水平。呼吸道的這種空氣調節功能對肺組織有重要的保護作用。經氣管插管呼吸的病人,失去了呼吸道的空氣調節功能,可使呼吸道上皮纖毛腺體等受到損傷,因此應給病人呼吸濕潤的空氣為宜。

過濾清潔作用通常通過呼吸道的過濾和清潔作用,阻擋和清除了隨空氣XX呼吸道的顆粒異物,使XX肺泡的氣體幾乎清潔無菌。呼吸道有各種不同的機制防止異物到達肺泡。其一在上呼吸道。鼻毛可以阻擋較大顆粒XX,而鼻甲的形狀則使許多顆粒直接撞擊在粘膜上或因重力而沉積在粘膜上。這樣,直徑大於10μm的顆粒幾乎完全從鼻腔空氣中被清除掉。其二在氣管、支氣管和細支氣管。直徑在2-10μm的顆粒可通過鼻腔而XX下呼吸道,但這裡管壁粘膜有分泌粘液的杯狀細胞和纖行上皮細胞。所分泌的沾液覆蓋在纖毛上。許多纖毛有力地、協調地和有節奏地擺動,將粘液層和附著于其上的顆粒向喉咽方向移動。每次擺動可移動粘液層達16μm,若每秒鐘纖毛擺動20次,則每分鐘可使粘液層移動約19mm。纖毛推動粘液層及所附著的顆粒到達咽部后,或被吞咽或被咳出。吸入氣乾燥或含有刺激性物質,如二氧化硫等,可以損害纖毛的運動,影響呼吸道的防禦功能。其三是巨噬細胞。直徑小於2μm的小顆粒可以XX呼吸性細支氣管、肺泡管和肺泡,巨噬細胞可以吞噬吸入的顆粒和細菌,然後帶著它的吞噬物向上遊走到細支氣管壁上的粘液層,隨粘液排出。肺泡巨噬細胞生活在氧分壓較市制肺泡中,當通氣量減少或氧分壓降低時,其功能將減退。此外,呼吸道的分泌物中還含有免疫球蛋白和其它物質,有助於防止感染和維持粘膜的完整性。 


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