第二节　气体交换

气体交换包括肺泡与血液之间的肺换气及血液与组织细胞之间的组织换气。两者都是以单纯扩散的方式通过呼吸膜和毛细血管壁来实现的。

5－5　肺换气和组织换气示意图（mmHg）

一、气体交换的原理

气体分子不停地进行无定向的运动，气体分子总是由压力高处向压力低处发生净移动，使整个空间各部分的气体压力相等，这一过程称为扩散。扩散的动力是两处气体分子间的分压差。通常将单位时间内气体分子扩散的容积，称为气体扩散速率（diffusion，D）。气体扩散速率与气体的分压差呈正比。分压差愈大，气体扩散速率愈大。此外，气体扩散速率还与气体分子的相对分子质量和它在液体中的溶解度有关。气体在人体内的交换过程也符合这一原理。在呼吸过程中，O2和CO2的交换是顺分压差进行的。

（一）气体的分压差

在混合气体中，某种气体分子运动所产生的压力称为该气体的分压（partialpressure），其值与该气体在混合气体中所占体积百分比成正比。混合气体的总压力等于各气体分压之和。混合气体中各种气体分子的扩散只与该气体的分压差有关，即从分压高一侧向分压低一侧扩散，而与总压力和其他气体的分压差无关。分压差愈大，气体扩散速率愈大。空气、肺泡气、动脉血、静脉血、组织中各种物质的分压见表5-2。

表5-2　空气、肺泡气、动脉血、静脉血、组织中各种物质的分压　单位：mmHg（kPa）

当气体与液体相遇时，气体分子可扩散而溶解于液体中，溶解在液体中的气体分子也可从液体中逸出。促进溶解的气体分子从液体中逸出的力，称为张力（tension），也可以说，张力就是液体中的气体分压。

（二）气体的扩散速率

气体的扩散速率除与该气体的分压差成正比外，还与该气体相对分子质量的平方根成反比。CO2的相对分子质量为44，而O2的相对分子质量为32，CO2相对分子质量的平方根为O2相对分子质量的0.17倍，因此，按相对分子质量计算O2的扩散速率比CO2大。

当气体与液体相遇时，气体扩散速率与气体分子在溶液中的溶解度成正比。溶解度是指某种气体在单位分压下，能溶解于单位容积溶液中的气量。溶解度大，气体扩散速率也大。O2和CO2在血浆中的溶解度分别为21.1mL/L和515.0mL/L。CO2的溶解度比O2的溶解度大约23倍，故按溶解度计算，CO2的扩散速率应较O2的扩散速率大得多。

综上所述，气体扩散速率与气体分压差和溶解度成正比，与气体相对分子质量的平方根成反比。

当O2和CO2分压差相同时，CO2的扩散速率约为O2的21倍。在肺泡与静脉血之间，O2的分压差约比CO2分压差大10倍，因此，上述几种因素综合影响的结果是CO2扩散速率约比O2的扩散速率大2倍。由于CO2比O2容易扩散，故临床上缺氧比二氧化碳潴留更为常见，呼吸困难的患者常常先出现缺氧。

二、气体交换的过程

（一）肺换气的过程

静脉血流经肺毛细血管时，血液的PO2为40mmHg，肺泡气的PO2为104mmHg，而静脉血的PCO2为46mmHg，肺泡气的PCO2为40mmHg，如表5-2所示。因此，当静脉血流经肺毛细血管时，在分压差的推动下，O2由肺泡向静脉血中扩散，CO2由静脉血向肺泡内扩散（图5-6）。结果使静脉血变成含O2较多、CO2较少的动脉血。O2和CO2在血液和肺泡间的扩散很迅速，仅需0.3s。在通常情况下，血液流经肺毛细血管的时间约需0.7s，所以，当静脉血流经肺毛细血管时有足够的时间进行气体交换（图5-6）。

图5-6　肺换气示意图

图5-7　组织换气示意图

（二）组织换气的过程

在组织中，由于细胞的有氧代谢不断消耗O2，产生CO2，所以组织内PO2在30mmHg以下，而PCO2可在50mmHg以上。当动脉血流经组织毛细血管时，在分压差的推动下，O2由血液向组织细胞扩散，CO2则由组织细胞向血液扩散，进行组织换气。结果使动脉血变成了含O2较少、含CO2较多的静脉血（图5-7）。

（三）影响肺换气的因素

1.呼吸膜的厚度和面积

肺泡与血液进行气体交换必须通过呼吸膜才能进行，呼吸膜指的是肺泡腔与肺毛细血管腔之间的膜。气体扩散速率与呼吸膜厚度成反比，与呼吸膜面积成正比。呼吸膜由六层结构组成，即含有肺泡表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、肺泡上皮基膜层、肺泡与毛细血管之间的间隙、毛细血管基膜层、毛细血管内皮细胞层（图5-8）。虽然呼吸膜有六层结构，但非常薄，平均厚度为0.6μm，有些部位的厚度仅为0.2μm，因此，呼吸膜通透性好，气体很容易通过其扩散。正常成人的肺可供气体交换的总呼吸膜面积约为70m2。安静状态下，可供气体交换的呼吸膜面积约为40m2。用力呼吸时，肺毛细血管开放增多，用于气体交换的呼吸膜面积可大大增加。呼吸膜广大的面积及良好的通透性，保证了肺泡与血液间能迅速地进行气体交换。在病理情况下，呼吸膜面积的减小（如肺气肿）或呼吸膜的厚度增加（如肺炎、肺纤维化等）都将导致气体扩散量减少。

图5-8　呼吸膜结构示意图

2.通气/血流比值

通气/血流比值（ventilation/perfusionratio，简称V/Q比值）指的是每分钟肺泡通气量与每分钟肺血流量之间的比值。正常成人在安静状态下，每分钟肺泡通气量约为4.2L，肺血流量相当于心输出量，约为5.0L/min，V/Q比值为0.84。人体活动增强时，肺泡通气量增大，同时肺血流量也相应增加，V/Q比值仍保持在0.84。V/Q比值在0.84的情况下，肺泡通气量与肺血流量配合恰当，气体交换效率最高，静脉血流经肺毛细血管时，将全部变为动脉血（图5-9（a））。若V/Q比值增大，说明肺通气过度或肺血流量不足，部分肺泡中的气体未能与血液进行气体交换，致使肺泡无效腔增大，气体交换效率降低，如部分肺血管栓塞（图5-9（b））。V/Q比值减小，说明肺通气不足或肺血流量过多，部分血液流经通气不良的肺泡，混合静脉血中的气体不能得到充分更新，犹如发生了功能性动-静脉短路，此时，气体交换效率也降低，如支气管痉挛（图5-9（c））。由此可见，从气体交换效率看，V/Q比值维持在0.84是最适宜的状态。V/Q比值大于或小于0.84，都将使气体交换效率降低。肺气肿是临床上常见的换气功能障碍的疾病，患者可因细支气管的阻塞或肺泡壁的破损，使V/Q比值异常，肺换气功能降低而出现缺氧。

图5-9　通气/血流示意图