39.2：呼吸表面间的气体交换
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培养技能
- 命名和描述肺容量和容量
- 了解气体压力如何影响气体进出人体的方式
肺的结构最大化了其表面积以增加气体扩散。 由于肺泡数量巨大（每人肺中约有3亿个），肺的表面积非常大（75 m 2）。 如此大的表面积会增加可以扩散到肺部和肺部的气体量。
气体交换的基本原理
呼吸过程中的气体交换主要通过扩散进行。 扩散是一个由浓度梯度驱动传输的过程。 气体分子从高浓度区域移动到低浓度区域。 氧气浓度低和二氧化碳浓度高的血液会与肺部空气进行气体交换。 肺部空气中的氧气浓度高于缺氧血液的氧气浓度，二氧化碳浓度较低。 这种浓度梯度允许在呼吸过程中进行气体交换。
分压是衡量气体混合物中单个成分浓度的指标。 混合物施加的总压力是混合物中各成分的分压之和。 气体的扩散速率与其在总气体混合物中的分压成正比。 下文将进一步详细讨论这个概念。
肺容量和容量
不同的动物根据其活动具有不同的肺活量。 猎豹的肺活量比人类高得多；它有助于为体内所有肌肉提供氧气，并使它们能够非常快地运行。 大象的肺活量也很高。 在这种情况下，不是因为它们跑得很快，而是因为它们的身体很大，必须能够根据自己的体型吸收氧气。
人类肺的大小由遗传学、性别和身高决定。 在最大容量下，普通肺可以容纳近六升的空气，但肺部通常不能以最大容量运作。 肺部空气是根据肺容量和肺活量来测量的（图\(\PageIndex{1}\)和表\(\PageIndex{1}\)）。 体积测量一种功能（例如吸入或呼气）的空气量。 容量是任意两个或更多体积（例如，从最大呼气结束后可以吸入多少）。
| 体积/容量 | 定义 | 体积（升） | 方程 |
|---|---|---|---|
| 潮汐量（TV） | 正常呼吸时吸入的空气量 | 0.5 | - |
| 呼气储备量 (ERV) | 正常呼气后可以呼出的空气量 | 1.2 | - |
| 吸气储备量 (IRV) | 正常吸入后可以进一步吸入的空气量 | 3.1 | - |
| 剩余体积 (RV) | 强制呼气后肺部留下的空气 | 1.2 | - |
| 重要容量 (VC) | 在单个呼吸周期内可以流入或流出肺部的最大空气量 | 4.8 | ERV+TV+IRV |
| 吸气容量 (IC) | 除正常呼气外，还可吸入的空气量 | 3.6 | TV+IRV |
| 功能剩余容量 (FRC) | 正常呼气后剩余的空气量 | 2.4 | ERV+RV |
| 肺总活量 (TLC) | 最大吸气后肺部的总空气量 | 6.0 | RV+ERV+TV+IRV |
| 强制呼气量 (FEV1) | 在特定的时间段内（通常是一秒钟）可以迫使多少空气排出肺部 | ~4.1 到 5.5 | - |
肺中的体积可分为四个单位：潮气量、呼气储备量、吸气储备量和残留量。 潮汐量（TV）测量正常呼吸过程中受到启发和过期的空气量。 平均而言，这个容量约为半升，略小于一个20盎司饮料瓶的容量。 呼气储备量（ERV）是正常呼气后可以呼出的额外空气量。 这是可以呼出超出正常水平的储备量。 相反，吸气储备量（IRV）是正常吸入后可以吸入的额外空气量。 剩余体积 (RV) 是呼气储备量呼出后剩余的空气量。 肺部永远不会完全排空：最大限度地呼气后，肺部总会有一些空气。 如果这种残留体积不存在，肺部完全排空，肺组织就会粘在一起，肺部再充气所需的能量可能无法克服。 因此，肺部总会有一些空气。 残留体积对于防止呼吸气体（O 2 和 CO 2）的大幅波动也很重要。 残余体积是唯一无法直接测量的肺容量，因为不可能完全排空肺中的空气。 这个体积只能计算而不能测量。
容量是两个或更多体积的测量值。 生命容量（VC）测量呼吸周期中可以吸入或呼出的最大空气量。 它是呼气储备量、潮气量和吸气储备量之和。 吸气量 (IC) 是指正常呼吸结束后可以吸入的空气量。 因此，它是潮气量和吸气储备量的总和。 功能剩余容量 (FRC) 包括呼气储备容量和残留容量。 FRC 测量正常呼气后可以呼出的额外空气量。 最后，肺总容量（TLC）是衡量肺部可以容纳的空气总量的指标。 它是残留量、呼气储备量、潮气量和吸气储备量之和。
肺容量是通过一种称为肺活量测定的技术来测量的。 肺活量测定期间进行的一项重要测量是强制呼气量（FEV），它衡量在特定时期（通常为一秒（FEV1）内，可以迫使多少空气排出肺部。 此外，还测量了强制生命容量（FVC），即可以强制呼出的空气总量。 这些值的比率（FEV1/FVC 比率）用于诊断肺部疾病，包括哮喘、肺气肿和纤维化。 如果FEV1/FVC比率很高，则肺部不顺从（这意味着它们僵硬且无法正常弯曲），患者很可能患有肺纤维化。 患者呼出大部分肺容量的速度非常快。 相反，当 FEV1/FVC 比率较低时，肺部就会有耐药性，这是哮喘的特征。 在这种情况下，患者很难从肺部排出空气，并且需要很长时间才能达到最大呼气量。 无论哪种情况，呼吸困难并出现并发症。
职业联系：呼吸治疗师
呼吸治疗师或呼吸系统从业人员评估和治疗肺部和心血管疾病患者。 他们作为医疗团队的一员为患者制定治疗计划。 呼吸治疗师可以治疗肺部发育不良的早产儿、患有哮喘等慢性疾病的患者或患有肺气肿和慢性阻塞性肺病（COPD）等肺部疾病的老年患者。 他们可以操作先进的设备，例如压缩气体输送系统、呼吸机、血气分析仪和复苏器。 成为呼吸治疗师的专业课程通常会获得呼吸治疗师专业的学士学位。 由于人口老龄化，作为呼吸治疗师的职业机会有望保持强劲。
气体压力和呼吸
通过检查气体的特性，可以更好地了解呼吸过程。 气体可以自由移动，但气体颗粒不断撞击其容器壁，从而产生气体压力。
空气是气体的混合物，主要是氮气（N 2；78.6％）、氧气（O 2；20.9％）、水蒸气（H 2 O；0.5％）和二氧化碳（CO 2；0.04％）。 该混合物的每个气体成分都会施加压力。 混合物中单个气体的压力是该气体的分压。 大约 21% 的大气气体是氧气。 但是，二氧化碳的含量相对较少，为0.04％。 氧气的分压远大于二氧化碳的分压。 任何气体的分压都可以通过以下方式计算：
P at m，即大气压力，是所有大气气体分压加在一起的总和，
×（混合物中的百分比含量）。
海平面上的大气压力为760毫米汞柱。 因此，氧气的分压为：
对于二氧化碳：
在高海拔地区，P atm 降低但浓度不变；分压下降是由于 P atm 的降低所致。
当空气混合物到达肺部时，它已被加湿。 肺部水蒸气的压力不会改变空气的压力，但必须将其包括在分压方程中。 在此计算中，从大气压力中减去水压（47 mm Hg）：
氧气的分压为：
这些压力决定系统中的气体交换或气体流量。 氧气和二氧化碳将根据其压力梯度从高到低流动。 因此，了解每种气体的分压将有助于了解气体如何在呼吸系统中移动。
肺泡上的气体交换
在体内，氧气被人体组织细胞使用，二氧化碳作为废物产生。 二氧化碳产量与氧气消耗量的比率是呼吸商数（RQ）。 RQ 在 0.7 和 1.0 之间变化。 如果仅使用葡萄糖为身体提供燃料，则 RQ 等于 1。 每消耗一摩尔氧气，就会产生一摩尔二氧化碳。 但是，葡萄糖并不是人体的唯一燃料。 蛋白质和脂肪也被用作人体的燃料。 因此，产生的二氧化碳少于消耗的氧气，平均而言，脂肪的RQ约为0.7，蛋白质的RQ约为0.8。
RQ 用于计算肺泡空间（肺泡）中氧气的分压\(\text{P}_{\text{O}_2}\)。 上图计算出的肺部氧气分压为150 mm Hg。 但是，肺部永远不会因为呼气而完全放气；因此，吸入的空气会与这种残留的空气混合，降低肺泡内氧气的分压。 这意味着肺中的氧气浓度低于体外空气中的氧气浓度。 知道 RQ 后，可以计算出肺泡中氧气的分压：
当 RQ 为 0.8 且肺泡\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)中的 a 为 40 mm Hg 时，肺泡等\(\text{P}_{\text{O}_2}\)于：
请注意，该压力小于外部空气。 因此，氧气将从肺部吸入的空气（\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 150 mm Hg）流入血流（\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 100 mm Hg）（图\(\PageIndex{2}\)）。
在肺部，氧气从肺泡扩散到肺泡周围的毛细血管中。 氧气（约98％）与红细胞（RBC）中发现的呼吸色素血红蛋白可逆结合。 红细胞将氧气输送到组织，氧气与血红蛋白分离并扩散到组织细胞中。 更具体地说，肺泡\(\text{P}_{\text{O}_2}\)中的肺泡\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\) = 100 mm Hg（= 100 mm Hg）高于毛细血管中的血液\(\text{P}_{\text{O}_2}\)（40 mm Hg）。 由于存在这种压力梯度，氧气会沿其压力梯度向下扩散，从肺泡中移出，进入毛细血管的血液，O 2 与血红蛋白结合。 同时，肺泡\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)低于血液\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\) =（45 mm Hg）\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)= 40 mm Hg。 二氧化碳沿其压力梯度扩散，从毛细血管中移出并进入肺泡。
氧气和二氧化碳相互独立移动；它们沿着自己的压力梯度向下扩散。 当血液通过肺静脉离开肺部时，静脉\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 100 mm Hg，而静脉\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 mm Hg。 当血液进入全身毛细血管时，由于组织和血液的压力差，血液会流失氧气并获得二氧化碳。 在全身毛细血管中，\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 100 mm Hg，但在组织细胞中，\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 40 mm Hg。 这种压力梯度推动氧气从毛细血管扩散到组织细胞中。 同时，血液\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 毫米汞柱，全身组织\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 毫米汞柱。 压力梯度驱动 CO 2 排出组织细胞进入毛细血管。 通过肺动脉返回肺部的血液的静脉\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 40 mm Hg，a\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 mm Hg。 血液进入肺毛细血管，毛细血管和肺泡之间的气体交换过程再次开始（图\(\PageIndex{2}\)）。
艺术连接
以下陈述中哪一项是错误的？
- 在组织中，随着血液从动脉流向静脉而\(\text{P}_{\text{O}_2}\)下降，而\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)增加。
- 血液从肺部流向心脏再到人体组织，然后返回心脏，然后是肺部。
- 血液从肺部流向心脏再到人体组织，然后返回肺部，然后是心脏。
- \(\text{P}_{\text{O}_2}\)空气中的含量高于肺部。
简而言之，从肺泡到毛细血管的分压变化将氧气带入组织，将二氧化碳从组织带入血液。 然后，血液被输送到肺部，肺泡压力的差异会导致二氧化碳从血液中流入肺部，氧气进入血液。
链接到学习
观看此视频，了解如何进行肺活量测定。
摘要
肺部可以容纳大量空气，但通常无法达到最大容量。 肺容量测量包括潮气量、呼气储备量、吸气储备量和残留量。 这些总和等于总肺活量。 气体流入或流出肺部取决于气体的压力。 空气是气体的混合物；因此，可以计算每种气体的分压以确定气体在肺中的流动方式。 空气中气体的分压将氧气带入组织，二氧化碳排出体外，两者之间的差异是二氧化碳排出体外。
艺术联系
图\(\PageIndex{2}\)：以下陈述中哪一项是错误的？
- 在组织中，随着血液从动脉流向静脉而\(\text{P}_{\text{O}_2}\)下降，而\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)增加。
- 血液从肺部流向心脏再到人体组织，然后返回心脏，然后是肺部。
- 血液从肺部流向心脏再到人体组织，然后返回肺部，然后是心脏。
- \(\text{P}_{\text{O}_2}\)空气中的含量高于肺部。
- 回答
-
C
词汇表
- 肺泡\(\text{P}_{\text{O}_2}\)
- 肺泡中氧气的分压（通常在 100 mmHg 左右）
- 呼气储备量 (ERV)
- 正常呼气后可以呼出的额外空气量
- FEV1/FVC 比率
- 一秒钟内可以排出肺部的空气量与被迫排出肺部的总量的比率；一种肺功能的测量方法，可用于检测疾病状态
- 强制呼气量 (FEV)
- （也称为强制生命容量）测量在特定时间内通过最大吸气可以迫使多少空气排出肺部
- 功能剩余容量 (FRC)
- 呼气储备量加上剩余体积
- 吸气容量 (IC)
- 潮汐量加上吸气储备量
- 吸气储备量 (IRV)
- 正常吸入后可以吸入的额外空气量
- 肺活量
- 测量两个或两个以上的肺容量（从呼吸结束到最大容量可以吸入多少空气）
- 肺容量
- 测量一种肺功能（正常吸入或呼气）的空气
- 分压
- 一种气体在混合气体中施加的压力量
- 残留体积 (RV)
- 最大到期后肺中残留的空气量
- 呼吸商 (RQ)
- 二氧化碳产量与消耗的每个氧分子的比率
- 肺活量测定
- 测量肺容量和诊断肺部疾病的方法
- 潮汐量 (TV)
- 正常呼吸过程中受到启发和过期的空气量
- 肺总活量 (TLC)
- 残留体积、呼气储备量、潮气量和吸气储备量之和
- 静脉\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)
- 静脉中二氧化碳的分压（肺静脉中为 40 mm Hg）
- 静脉\(\text{P}_{\text{O}_2}\)
- 静脉中氧气的分压（肺静脉中为 100 mm Hg）
- 重要容量 (VC)
- 呼气储备量、潮气量和吸气储备量之和