2018-08-05 16:31:06

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气体交换也称为呼吸,是指人和高等动物的机体同外界环境进行气体(主要为和二氧化碳)交换的整个过程。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"。

基本信息

  • 中文名

    气体交换

  • 外文名

    Gas exchange

  • 也称

    呼吸

折叠 编辑本段 介绍

气体交换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。

折叠 编辑本段 种类

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。

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

气体的扩散

组织里的气体交换示意图组织里的气体交换示意图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。

呼吸气和人体不同部位气体的分压

肺泡里的气体交换示意图肺泡里的气体交换示意图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)

大气(ml%)

分压kPa(mmHg)

吸入气(ml%)

分压kPa(mmHg)

呼出气(ml%)

分压kPa(mmHg)

肺泡气(ml%)

分压kPa(mmHg)

O2

20.84

21.15(159.0)

19.67

19.86(149.3)

15.7

15.96(120.0)

13.6

13.83(104.0)

CO2

0.04

0.04(0.3)

0.04

0.04(0.3)

3.6

3.59(27.0)

5.3

5.32(40.0)

N2

78.62

79.40(597.0)

74.09

74.93(563.4)

74.5

75.28(566)

74.9

75.68(569)

H2O

0.50

0.49(3.7)

6.20

6.25(47)

6.20

6.25(47)

6.20

6.25(47)

合计

100.0

101.08(760)

100.0

101.08(760)

100

101.08(760)

100

101.08(760)

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)

动脉血

混合静脉血

组织

kPa

mmHg

kPa

mmHg

kPa

mmHg

PO2

12.9-13.3

97-100

5.32

40

4

30

PCO2

5.32

40

6.12

46

6.65

50

气体交换受呼吸表面的影响

表面薄:方便气体的扩散。

表面潮湿:氧气要先溶于水中才能拥入体内的血液。同样的二氧化碳必须溶于水中才能扩散出体外。

表面积大:以加速气体的交换速率

密集的毛细血管网:方便交换后气体的运输。

折叠 编辑本段 主要功能

呼吸道(气道)包括鼻、咽、喉(上呼吸道)和气管、支气管及其在肺内的细支气管(下呼吸道)。随着呼吸道的不断分支,其结构和功能均发生一系列变化,气道数目增多,口径减小,总横断面积增大,管壁变薄,这些变化有重要的生理意义。

折叠 调节气道阻力

通过调节气道阻力从而调节进出肺的气体的量、速度和呼吸功。

折叠 保护功能

环境气温、湿度均不恒定,而且可含尘粒和有害气体,这些都要危害机体健康。但是,呼吸道具有对吸入气体进入加温、湿润、过滤、清洁作用和防御反射等保护功能。

折叠 加温湿润作用

主要在鼻和咽,而气管和支气管的作用较小。一般情况下,外界空气的温度和温度都较肺同为低。由于鼻、咽粘膜有丰富的血流,并有粘液腺分泌粘液,所以吸入气在达气管时已被加温和被水蒸气所饱和,变为温暖而湿润的气体进入肺泡。如果外界气温高于体温,则通过呼吸道血流的作用,也可以使吸入气的温度下降到体温水平。呼吸道的这种空气调节功能对肺组织有重要的保护作用。经气管插管呼吸的病人,失去了呼吸道的空气调节功能,可使呼吸道上皮、纤毛及腺体等受到损伤,因此应给病人呼吸湿润的空气为宜。

折叠 过滤清洁作用

通常通过呼吸道的过滤和清洁作用,阻挡和清除了随空气进入呼吸道的颗粒、异物,使进入肺泡的气体几乎清洁无菌。呼吸道有各种不同的机制防止异物到达肺泡。其一在上呼吸道。鼻毛可以阻挡较大颗粒进入,而鼻甲的形状则使许多颗粒直接撞击在粘膜上或因重力而沉积在粘膜上。这样,直径大于10μm的颗粒几乎完全从鼻腔空气中被清除掉。其二在气管、支气管和细支气管。直径在2-10μm的颗粒可通过鼻腔而进入下呼吸道,但这里管壁粘膜有分泌粘液的杯状细胞和纤行上皮细胞。所分泌的沾液覆盖在纤毛上。许多纤毛有力地、协调地和有节奏地摆动,将粘液层和附着于其上的颗粒向喉咽方向移动。每次摆动可移动粘液层达16μm,若每秒钟纤毛摆动20次,则每分钟可使粘液层移动约19mm。纤毛推动粘液层及所附着的颗粒到达咽部后,或被吞咽或被咳出。吸入气干燥或含有刺激性物质,如二氧化硫等,可以损害纤毛的运动,影响呼吸道的防御功能。其三是巨噬细胞。直径小于2μm的小颗粒可以进入呼吸性细支气管、肺泡管和肺泡,巨噬细胞可以吞噬吸入的颗粒和细菌,然后带着它的吞噬物向上游走到细支气管壁上的粘液层,随粘液排出。肺泡巨噬细胞生活在氧分压较市制肺泡中,当通气量减少或氧分压降低时,其功能将减退。此外,呼吸道的分泌物中还含有免疫球蛋白和其它物质,有助于防止感染和维持粘膜的完整性。

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