呼吸气体的肺内交换

肺泡与肺循环毛细血管血液之间的气体交换是借助于气体分子扩散来进行的。人体两侧肺共约有3亿个肺泡，肺泡与毛细血管的接触面积约为70m²。肺泡与血管内的气体扩散必须通过主要由肺泡上皮和毛细血管内皮组成的呼吸膜，呼吸膜两侧的气体分压、气体的溶解度和分子量、扩散的面积和距离等因素都影响肺部气体扩散的速率。肺部气体扩散功能的指标通常以气体的扩散量来表示。肺泡通气量与肺血流量对于肺部气体交换也有极重要的影响。
气体扩散速率和扩散量 影响扩散速率的因素有以下各点：
呼吸气体的分压 混合气体具有一个总压力，其数值是各组成气体的分压之和。某一种气体在混合气体中所占的容积百分比和总压力的乘积为这一种气体的分压。根据大气压力、空气及呼吸道内各种气体分子所占的容积百分比，可算出空气中及肺内各种气体的分压。假定在海平面吸入的是干燥空气，当它通过鼻、口和咽喉时，就被水蒸气所饱和。正常体温(37℃)下，吸入气到达气管时，气体中的水蒸气压为47mmHg，占据总压力的一部分，而使气管内空气中的氧和氮分压的绝对值有所减小。肺泡气中氧和二氧化碳分压与气管内各该气体的分压不同，这是由于肺泡气中氧和二氧化碳与肺毛细血管血流间不断地进行气体交换。各种气体分子都是分别从其分压高处向分压低处扩散，二个部分之间某气体的分压差越大，在单位时间内该气体分子的扩散速度也越快。健康人在休息时，流经肺泡周围的混合静脉血中的二氧化碳分压约为46mmHg，肺泡气中二氧化碳分压约为40mmHg，所以静脉血中二氧化碳分子向肺泡扩散。肺泡气的氧分压约为105mmHg，混合静脉血中氧分压约为40mmHg，肺泡气中氧分子向肺循环毛细血管内扩散； 经过肺内呼吸气体的交换，使静脉血成为动脉血。

海平面上的气体分压(mmHg)

气 体	干燥空气	气管中 吸入气	肺泡气 （平均）	混合静脉血 （平均）	动脉血 （平均）
氧分压 二氧化碳分压 水蒸气分压 氮分压	159 微量 0 601	149 微量 47 564	105 40 47 568	40 46 47 573	100 40 47 573
合计	760	760	760	706	760

气体的溶解度和分子量 在单位分压下能溶解于定量溶液中的气体容积，为该气体在此溶液中的溶解度，也称溶解系数。各种气体在某液体中的溶解度决定于两个因素：一是该气体围绕液面的分压，二是温度。呼吸气体在不同液体中的溶解度，通常指37℃、每种气体分压为1个大气压时、气体溶解于100毫升液体中的毫升数。在这种条件下，氧和二氧化碳在血浆中的溶解度分别为2.14ml和51.5ml，在全血中的溶解度分别为2.36ml和48ml。
在肺部，肺泡气与毛细血管血浆之间气体分子的扩散速率与该气体在血浆中的溶解度成正比，而与其分子量的平方根成反比。二氧化碳在血浆中的溶解度比氧大24倍，二氧化碳与氧的分子量平方根之比为1.17:1，在相同的分压差下，二氧化碳的扩散速率比氧大20倍。因此，在肺部气体交换中，二氧化碳的扩散一般是不成问题的，需要注意的乃是氧的扩散问题。
扩散面积和距离 肺泡与具有正常循环功能的毛细血管相接触的面积越大，气体扩散速率越大。静息时，只用部分肺泡和毛细血管来进行扩散，一部分肺泡处于陷闭状态。运动时，原先处于陷闭的某些肺泡和毛细血管可以张开，从而增加扩散面积。肺泡气体与毛细血管血液气体之间存在一段距离，主要包括肺泡上皮，组织间隙，毛细血管基膜及内皮。气体由肺泡扩散入血液必须通过这一距离，其厚度约0.2～1.0μm，平均约0.7μm。在某些病理情况下，如一侧全肺切除术后扩散面积减少，或肺水肿、肺纤维化等使扩散距离有所增加，将影响扩散速率。
肺扩散量 是衡量肺内气体扩散功能的指标。某气体的肺扩散量系指肺泡-毛细血管膜两侧的气体分压相差1mmHg时，该气体每分钟通过呼吸膜的毫升数，又称肺气体转移指数。因氧的扩散速率仅为二氧化碳的1/20，故氧的扩散量应予重视，其公式如下：

直接测定氧扩散量较为困难，一般用一氧化碳来考核扩散功能，它能迅速透过呼吸膜，并与血红蛋白充分结合，血浆中一氧化碳分压几乎等于零，可以不计，其公式简化为：

氧的扩散量与一氧化碳扩散量的关系，可用下式示之：

将一氧化碳扩散量乘1.23，即得氧扩散量。静息状态下氧扩散量约为33ml/mmHg·min。
肺通气量与肺血流量 完成呼吸的生理过程需要呼吸系统（空气泵）和循环系统（血泵）相配合。为适应组织细胞对氧需要的变化，肺和心必须是可变的泵，它们必须能够精确地进行调节。同时，这二个泵分别供应的气量和血量，在肺的每一部位上也要相配合，使肺通气量和肺血流量保持协调，才能完成正常的气体交换。
人体静息时，肺泡通气只需1/20的呼吸面积就足以满足需要。肺毛细血管床在正常情况下，只含有75～100ml的血液，但总的肺循环血量约10倍于此，大部分是在具有扩张性的肺小静脉和肺静脉中。在生理情况下，每分钟肺血流量可以随着不同的机体活动水平而增减。具有均匀通气和均匀血流的健康人，静息时肺泡通气量约为4000ml/min，恰好可使每分钟流经肺毛细血管的5000ml的混合静脉血完成动脉化。平均而言，肺通气量/肺血流量的比值为0.8。
肺循环的血流受下列因素作用而使其分布不匀：
❶重力对肺上下部的血柱作用；
❷胸内压的部位差异；
❸肺脏不同部位的肺泡压的变化；
❹肺循环的部分血管收缩。因此，健康人直立位时肺上、中、下区的通气/血流比值分别约为：1.6～1.7,0.9～1.0及0.6～0.7。但从总体来说，由于肺泡呼吸面积和毛细血管床的表面积都远远超过正常交换的实际需要，因此，生理情况下存在的通气与血流比的不均匀分布，毫不影响氧的吸入和二氧化碳的排出。如果肺通气量与肺血流量不配合可出现以下几种情况：
❶通气正常而无血流时，通气/血流的比值为∞，整个肺都成了无效腔，肺内全部气体都是生理无效腔气，如肺动脉结扎术后。
❷血流正常而无通气时，通气/血流的比值为0，即全部肺循环血液成为真正的生理分流，如肺不张。
❸通气量少于血流量时，通气/血流的比值<0.8，血流经过通气不足的肺泡，未得充分与氧结合，其结果是增加动静脉分流，如支气管哮喘.
❹血流量少于通气量时，通气/血流的比值>0.8，吸入气经过血流量不足的肺泡时，就将有一部分肺泡气不能与血流进行充分的气体交换，这将增加生理无效腔气量，如肺栓塞。