二、气体交换
生理状态下，机体内的气体交换包括肺换气和组织换气（图7-12）。
肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换过程称为肺换气。组织毛细血管血液与组织细胞之间的气体交换过程称为组织换气。
（一）气体交换的原理
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压力高处向压力低处移动，这一过程称为气体扩散。肺换气和组织换气就是以扩散方式进行的。单位时间内气体扩散的容积为气体扩散速率，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称为该气体的分压，如氧气（O2）的分压可表示为PO2。气体分压不受混合气体中的其他气体及其分压的影响，在温度恒定时，每一种气体的分压取决于它自身的浓度。
2.气体的分子量和溶解度 分子量小的气体扩散较快。在相同条件下，气体扩散速率和气体分子量（MW）的平方根成反比。如果扩散发生于气相和液相之间，则扩散速率还与气体在溶液中的溶解度成正比。溶解度（S）是单位分压下溶解于单位容积溶液中的气体量。一般以1个大气压、38℃时，100 mL体中溶解的气体的体积（mL）来表示。因为CO2在血浆中的溶解度（51.5）约为O2的（2.14）24倍，CO2的分子量（44）略大于O2的分子量（32），所以CO2的扩散系数是O2的20倍。
3.扩散面积和距离 气体扩散速率与扩散面积（A）成正比，与扩散距离（d）成反比。
4.温度 气体扩散速率与温度（T）成正比。人体体温相对恒定，故温度因素可忽略不计。
图7-12 气体交换示意图
（二）肺换气(https://www.daowen.com)
1.肺换气的过程 混合静脉血流经肺毛细血管时，血液PO2是40 mmHg，比肺泡气的PO2104 mmHg低。肺泡气中的O2便在分压差的作用下向血液净扩散，血液的PO2逐渐上升，最后接近肺泡气的PO2；混合静脉血的PCO2是46 mmHg，肺泡气的PCO2是40 mmHg，所以，CO2向相反的方向净扩散，即从血液到肺泡。
O2和CO2在血液和肺泡间的扩散都极为迅速，不到0.3 s即可达到平衡。通常情况下，血液流经肺毛细血管的时间约为0.7 s，所以当静脉血流经肺毛细血管全长约1/3时，已经基本上完成了肺换气过程。可见，正常情况下肺换气有很大的储备能力。
2.影响肺换气的因素
（1）呼吸膜的厚度：肺泡气体通过呼吸膜（肺泡-毛细血管膜）与血液气体进行交换。气体扩散速率与呼吸膜厚度成反比，呼吸膜越厚，单位时间内交换的气体量就越少。呼吸膜由6层结构组成：含肺泡表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜、肺泡上皮和毛细血管之间的间隙（基质层）、毛细血管基膜和毛细血管内皮细胞层。虽然呼吸膜有6层结构，但却很薄，平均总厚度不足1 μm，有的部位只有0.2 μm，气体易于扩散通过。此外，整个肺的呼吸膜面积很大，约为70 m2，而肺毛细血管总血量不多，因而血液层很薄。肺毛细血管平均直径约为5 μm，红细胞需要挤过肺毛细血管，因此，红细胞膜通常能接触到毛细血管壁，O2、CO2不必经过大量的血浆层就可到达红细胞或进入肺泡，扩散距离短，交换速度快。任何使呼吸膜增厚或扩散距离增加的疾病如肺纤维化、肺水肿等，都会降低扩散速率，减少扩散量。运动时，由于血流加速，气体在肺部的交换时间缩短，这时呼吸膜的厚度或扩散距离的改变对肺换气的影响便显得更加突出。
（2）呼吸膜的面积：气体扩散速率与扩散面积成正比。正常人的肺约有3亿个肺泡，呼吸膜的总扩散面积约为70 m2，平静呼吸时，可供气体交换的呼吸膜面积约40 m2，故有相当大的储备面积。运动时，因肺毛细血管开放数量和开放程度增加，扩散面积也大大增加。肺不张、肺实变、肺气肿、肺叶切除或肺毛细血管关闭和阻塞，均可使呼吸膜扩散面积减小，进而影响肺换气。
（3）通气/血流比值：每分钟肺泡通气量（VA）和每分钟肺血流量（Q）之间的比值。正常成人安静时，每分钟肺泡通气量约为4.2 L，每分钟肺血流量约为5 L，因此，通气/血流比值（VA/Q）约为0.84。只有在适宜的通气/血流比值的情况下才能实现适宜的肺换气。如果通气/血流比值增大，就意味着通气过剩，血流相对不足，部分肺泡气体未能与血液气体充分交换，致使肺泡无效腔增大。反之，通气/血流比值下降，则意味着通气不足，血流相对过多，部分血液流经通气不良的肺泡，混合静脉血中的气体不能得到充分更新，犹如发生了功能性动静脉短路。由此可见，无论通气/血流比值增大或减小，都会妨碍有效的气体交换，导致机体缺O2和CO2潴留，其中主要是缺O2。在肺气肿患者，由于许多细支气管阻塞和肺泡壁的破坏，上述两种通气/血流比值异常的情况都可能发生，致使肺换气效率受到极大影响，这是造成肺换气功能异常最常见的一种原因。因此，通气/血流比值可作为衡量肺换气功能的指标。
（三）组织换气
组织换气的机制和影响因素与肺换气相似，不同的是气体的交换发生于液相（血液、组织液、细胞内液）介质之间，而且扩散膜两侧O2和CO2的分压差随细胞内氧化代谢的强度和组织血流量的不同而不同。如果血流量不变，代谢增强，则组织液中的PO2降低，PCO2升高；如果代谢率不变，血流量增大，则组织液中的PO2升高，PCO2降低。
在组织中，由于细胞的有氧代谢，O2被利用，并产生CO2，所以PO2可低至4 kPa（30 mmHg）以下，PCO2可高达6.7 kPa（50 mmHg）以上。动脉血液流经组织毛细血管时，O2便顺着分压差从血液向组织液和细胞扩散，CO2则由组织液和细胞向血液扩散，动脉血因失去O2和得到CO2而变成静脉血。