气体交换

　　生物体把环境中的氧气吸进体内，同时把体内的二氧化碳排到环境中的过程称为气体交换．单细胞原生动物通过体表与水之间进行气体交换，其方式是将水中溶解的氧气吸进体内，同时把体内的二氧化碳排到水中．高等的多细胞动物，包括人类在内，通过呼吸运动和血液循环，肺泡内的空气与肺部毛细血管内的静脉血之间不断地进行气体交换．全部过程又可分为内呼吸和外呼吸两个方面．

气体交换属于物质交换。

     在人和高等动物有内呼吸与外呼吸之分。前者指组织细胞与体液之间的气体交换过程，后者指血液与外界空气之间的气体交换过程。一般所称呼吸系指外呼吸。外呼吸由胸廓的节律性扩大和缩小，以及由此引起的肺被动的扩张（吸气）、回缩（呼气）和歇息而实现。健康成年人安静时每分钟约16至18次，而小童每分钟约20至30次，每次吸入和呼出气体约各为500毫升。人在各种不同条件下其呼吸型式亦不同。以肋骨运动为主者称为“胸式呼吸”，以膈和腹壁肌运动为主者称为“腹式呼吸”。

     以气体扩散的方式进行，各种气体的扩散主要取决于各种气体分压差，气体分压差是气体交换的动力。气体在水中的分压， 当气体溶于水中和从水中溢出，回到空气中达到平衡时，该气体在空气中的分压即是它在水中的张力。因此与气体的溶解度有关，和交换膜的通透性及交换面积有关。例如在房间的一角洒一些香水，我们在整个房间都会闻到香味，这就是香气在空气里扩散的结果。一种气体总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，直到平衡为止。

　　人体的气体交换包括肺与外界环境的气体交换（肺的通气）和体内的气体交换。前者是通过呼吸运动实现的，后者包括肺泡内的气体交换和组织里的气体交换两个过程，它们都是通过气体的扩散作用实现的。

肺泡内的气体交换发生在肺泡与血液之间。当空气进入肺泡后，由于肺泡中氧的含量高于血液中氧的含量，血液中二氧化碳的含量高于肺泡中二氧化碳的含量，所以肺泡中的氧扩散进入血液，血液中的二氧化碳扩散进入肺泡。肺泡内的气体交换使血液中的氧的含量增多，二氧化碳含量减少。这种含氧丰富的血经血液循环到达身体各处。

组织里的气体交换发生在血液与组织细胞之间。由于组织细胞不停地消耗氧并产生二氧化碳，因而组织处氧的含量低于血液中氧的含量，二氧化碳的含量高于血液中二氧化碳的含量，氧就由血液扩散进入组织细胞，而组织细胞内的二氧化碳扩散进入血液。这样，组织细胞所需要的样就源源不断地得到补充，产生的二氧化碳则被及时运走。

原理

　　气体分子不停地进行着无定向的运动，其结果是气体分子从分压高处向分压低处发生净转移，这一过程称为气体扩散，于是各处气体分压趋于相等。机体内的气体交换就是以扩散方式进行的。单位时间内氧化扩散的容积为气体扩散速率（diffusion rate,D），它受下列因素的影响。

1.气体的分压差 在混合气体中，每种气体分子运动所产生的压力为各该气体的分压，它不受其它气体或其分压存在的影响，在温度恒定时，每一气体的分压只决定于它自身的浓度。混合气的总压力等于各气体分压之和。

气体分压可按下式计算：

气体分压=总压力×该气体的容积百分比

两个区域之间的分压差（△P）是气体扩散的动力，分压差大，扩散快。

2.气体的分子量和溶解度质量轻的气体扩散较快。在相同条件下，各气体扩散速率和各气体分子量（MW）的平方根成反比。溶解度（S）是单位分压下溶解于单位容积的溶液中的气体的量。一般以1个大气压，38℃时，100ml液体中溶解的气体的ml数来表示。溶解度与分子量平方根之比（S/***）为扩散系数（diffusion coefficient），取决于气体分子本身的特性。CO2的扩散系数是O2的20倍，主要是因为CO2在血浆中的溶解度（51.5）约为O2的（2.14）24倍的缘故，虽然CO2的分子量（44）略大于O2的（32）。

3.扩散面积和距离扩散面积越大，所扩散的分子总数也越大，所以气体扩散速率与扩散面积（A）成正比。分子扩散的距离越大，扩散经全程所需的时间越长，因此，扩散速率与扩散距离（d）成反比。

4.温度 扩散速率与温度（T）成正比。在人体，体温相对恒定，温度因素可忽略不计。

　　既然气体交换的动力是分压差，则有必要首先了解进行气体交换各有关部位的气体组成和分压。

1.呼吸气和肺泡气的成分和分压 人体吸入的气体是空气。空气的主要成分是O2、CO2和N2，具有生理意义的是O2、和CO2。空气中各气体的容各百分比一般不因地域不同而异，但分压却因总大气压的变动而改变。高原大气压降低，各气体的分压也低。吸入的空气在呼吸道内被水蒸气所饱和，所在呼吸道内吸入气的成分已不同于大气，因此各成分的分压也发生相应的改变。

从肺内呼出的气体为呼出气，它来自两部分：无效腔的吸入气和来肺泡的肺泡气，是这两部分气体混合。

海平面各气体的容积百分比ml%和分压kPa(mmHg)：

2.血液气体和组织气体的分压（张力）液体中的气体分压称为气体的张力（P），其数值与分压的相同。血液和组织中的PO2和PCO2。不同组织的PO2和PCO2不同，同一组织的PO2和PCO2还受组织活动和水平的影响，表中值仅是安静状态下的大致估计值。

血液和组织中气体的分压kPa(mmHg)：

引