第二节　肺换气

肺换气是指肺泡与血液间的气体交换，下面对肺换气的一些基本理论进行叙述。

一、气体的弥散定律

气体弥散定律是指在肺内与组织内所进行的气体交换，是一个物理的弥散过程。其弥散方向与数量取决于该气体分压的高低。支配气体弥散的物理学规律可概括为以下数学公式：

Q = K·S·［（P1-P2）/d］·t

上述公式表明，在t时间内气体分子通过横截面积S时，由于弥散作用而转移的气体量Q，与两端气体的分压差（P1-P2）成正比，而与两端间的距离d成反比。式中K为弥散系数，对于某一特定的气体与经过的介质来说，是一个常数。

由上述公式可见，无论气体分子在体内的弥散趋向，还是气体的生理效应，均取决于气体分压的高低，而通常与表示相对浓度的容积百分比值无直接关系。故在呼吸生理学中习惯于用气体分压来表示体内任一部位某种气体分子数量的多少。例如，在高空生理中，只有采用气体分压的概念才能叙述清楚各种特殊气体环境的生理学效果，而仅使用百分比浓度则往往带来很大困难。由图1-2-2-1可见，在高空即使吸入纯氧，上升到一定高度由于低气压环境导致氧分压降低，进而降低肺泡氧气的弥散量，仍会发生缺氧。可见氧的生理学效应取决于氧分压的值，而与反映相对比例关系的氧容积百分比无直接关系。

在肺泡，氧气通过弥散的方式进入血液，血液中的二氧化碳亦通过弥散方式进入肺泡。二氧化碳弥散的量可以通过上述公式计算，但是，二氧化碳弥散系数K是远高于氧气的，因此，在相同分压差下，二氧化碳弥散量远大于氧气。如果吸入气体氧分压降低导致（P1-P2）两侧分压差降低，或者在肺水肿、肺纤维化导致弥散距离增加的情况下，都可以导致氧气弥散量减少，引起缺氧性缺氧。

图1-2-2-1　气体分压概念在高空呼吸生理中的应用

●代表氧分子，○代表氮分子；（A）（B）氧浓度相等，分压不同；（C）氧浓度最高，但分压最低

依据气体的弥散定律，氧气在肺泡-毛细血管膜的弥散，由肺泡与肺毛细血管血液中的氧分压差所决定。在海平面，成年人静息状态下肺泡氧分压为100mmHg（13.3kPa），肺动脉毛细血管血液氧分压为40mmHg（5.3kPa），两侧氧分压差为60mmHg（8kPa）（图1-2-2-2）。在此条件下，肺毛细血管血液在0.25s内即完成气体交换，使肺静脉血液氧分压达100mmHg（13.3kPa）。然而，肺毛细血管血液从动脉端循环到静脉端需0.75s，故具有较大贮备能力。当中度运动时，即使肺毛细血管循环时间缩短到0.25s，仍能完成有效的气体交换（图1-2-2-2上部曲线）。在高空缺氧条件下，肺泡气氧分压降至40mmHg（5.3kPa）时，因肺泡与肺毛细血管间氧分压差缩小，导致气体交换时间延长，在静息状态下，尚能完成有效的气体交换，使肺毛细血管静脉端氧分压达到肺泡气水平。但是，当中度运动时，则导致气体交换不充分，加重缺氧（图1-2-2-2下部曲线）。

图1-2-2-2　肺毛细血管交换的时间过程

肺毛细血管氧交换时间为0.75s，海平面静息与运动条件下，人体均能进行充分的氧交换（上部氧分压曲线）。缺氧条件下，静息的人体仍可进行充分的氧交换，但是，运动导致氧交换不充分（下部氧分压曲线）。

二、体内溶解气体的张力

（一）亨利定律

亨利定律（Henry's law）是1803年英国化学家亨利（W.Henry）研究气体在液体中的溶解度时总结出的一条经验规律，表述为：一定的温度和压强下，平衡状态时，一种气体在液体里溶解的数量与该气体在液面上的分压成正比，其比例系数即是溶解度系数（solubility coefficients）。它们之间的关系如下：

溶解气体的数量（ml/100ml）=气体的分压×溶解度系数

溶解度系数表示气体的溶解度，其单位是ml/100ml液体/101.3kPa（760mmHg）。由表1-2-2-1的数据得知，二氧化碳的溶解度系数为氧的20多倍，故可在其分压不太高的条件下，溶解较大量的二氧化碳气体。反之，如某气体溶解度系数很小，即使在很高的分压条件下，实际所能溶解的气体量也是很少的。如已知液体中溶解气体的量再除以溶解度系数也可计算出溶解气体的分压。该定律适用的条件是其气体的平衡分压不大，气体在溶液中不与溶剂起作用（或起一些反应，但极少电离）。

表1-2-2-1　37℃体温条件下几种气体的溶解度系数

（二）溶解气体的分压（张力）

气体溶解于液体中具有的分压，习惯上也称张力（tension），仍以常用压力单位表示。当气体与液体相接触时，部分气体分子即可不断进入液体而呈溶解状态；已溶解于液体中的气体分子亦处于不停的运动状态之中，并可离开液体回到气体环境中去。当两者达到动态平衡时，同一时期内离开液体的气体分子数量与进入液体中呈溶解状态的气体分子数量相等（图1-2-2-3）。此时可以说：溶解气体自液体内部向液体表面所施加的压力，即等于气相中的气体分子由外部向液体表面所施的压力。故溶解气体的分压（张力）即表示驱使溶解气体离开液体而向气相弥散的“力量”有多么大。图1-2-2-3表明，一种液体与另一种液体或某一气体环境相接触时，该液体内溶解气体分压的变化取决于两者之间该气体分压的差别。气体运动的趋向总是由高压力向低压力部位弥散，最后达到两部分之间气体分压的动态平衡。生物组织或体液中溶解的氧或二氧化碳的分压可用张力计进行测定，亦可用专门的氧或二氧化碳电极测定。换言之，在血液中，溶解氧是形成氧分压的主要因素，与血红蛋白结合的氧不影响氧分压。

图1-2-2-3　液体中溶解气体的概念

当（A）中液体与（B）中液体分别放至（C）的半透膜的两侧时，溶解气体即自高分压处向低分压处弥散