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氧气和二氧化碳的交换

作者: Noah Lechtzin, MD, MHS, Johns Hopkins University School of Medicine

呼吸系统最主要的功能是氧气和二氧化碳的交换。吸入的氧气进入肺组织到达肺泡。构成肺泡和毛细血管的细胞都是单层细胞,且相互之间结合紧密。它们间形成的呼吸膜屏障平均厚度不到1um(1cm的1/10 000)。氧气能快速通过这层血气屏障进入血液中。同样,二氧化碳用过这层屏障由血液进入肺泡,然后呼出体外。

经肺脏氧和的血液通过肺静脉流入左心,后者将血液泵入机体的各部(见 心脏功能)。乏氧而富含二氧化碳的血液通过上下腔静脉两条大静脉回到右心,然后血液被泵出,经肺动脉进入肺组织中,释放出二氧化碳并携带走氧气。

为维持氧气和二氧化碳的交换,即使在休息时,平均每分钟大约有6-10L新鲜空气吸入肺组织,其中大约有0.3L氧气通过肺泡入血。与此同时,大约有相同体积的二氧化碳由血进入肺泡,然后排出体外。在运动时,每分钟则可吸入多达100L的空气,其中有3L氧气入血。氧气为机体利用消耗的速度是衡量机体耗能总量的有效指标之一。呼出和吸入气体依靠呼吸肌实现。

肺泡和毛细血管的气体交换

呼吸系统的功能是交换两种气体:氧气和二氧化碳。交换发生在成千上万个肺泡及周围的毛细血管之间。如下所示,吸入的氧气从肺泡进入毛细血管的血液中,二氧化碳从毛细血管的血液中移出至肺泡。

氧气自外界进入流经肺部的血液有三个基本的步骤:通气、弥散和灌注。肺通气是指气体吸入或呼出肺组织的过程。弥散是指气体在肺泡和毛细血管之间无需能量或机体努力的自发转运。灌注是指心血管系统将血液泵入肺部的作用。体循环为含有氧气的空气与消耗氧气的组织细胞之间提供了必要的连接。例如,氧气运输到全身的肌细胞不仅依赖肺组织的作用,还需要血液的氧气携带能力和循环的运输能力。

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