關于人體內氣體交換的問題分析

陳衛東

問題：從人體肺中呼出的氣體中，氧氣濃度高還是二氧化碳濃度高？

對于這個問題，很多學生爭論不休，有人認為是二氧化碳濃度高，有人甚至認為沒有氧氣，有人則認為是氧氣濃度高.

要回答這個問題，首先要了解人體內各個部分的氣體交換狀況.人體的氣體交換主要發生在兩個部位，肺泡處和組織細胞處，如圖1所示.

吸入肺部的氣體中，氮氣比例最高，占78%，而氧氣約占21%，二氧化碳只占0.032%，水蒸氣0.5%.

肺泡內的氣體交換形式如圖2所示，其形式是靜脈血中二氧化碳迅速擴散進入肺泡，而肺泡中的氧氣迅速擴散進入血液.氧氣和二氧化碳為什么能夠按照上述方式快速擴散呢？肺泡與血液中的氣體交換是通過擴散作用來完成的，既然靠擴散作用來進行氣體交換，那么，交換雙方就要存在著分壓差.肺部肺泡氣與肺部靜脈血之間的氣體分壓差如表1.

決定氣體擴散方向和影響氣體擴散速度的首要因素是分壓梯度.呼吸膜兩側的氣體分壓差越大，氣體擴散速度就越快.原來，在肺內，肺泡氣的氧分壓高于肺毛細血管中的靜脈血氧分壓，分壓差約為63mmHg，故氧從肺泡擴散進入靜脈血；靜脈血的二氧化碳分壓則高于肺泡氣的二氧化碳分壓，分壓差約為6mmHg，故二氧化碳從靜脈血擴散入肺泡.

由于分壓差比較大，因此在很短時間內，血液中的氧和二氧化碳分壓即可與肺泡氣達到平衡，靜脈血變成動脈血.

圖3血液在肺部由靜脈血轉換成動脈血后，流回心臟，再由心臟輸送到全身各處，當血液經主動脈和各級動脈后到達全身各處毛細血管，才能與組織細胞發生氣體交換.其形式如圖3所示.從圖中可以看出，毛細血管中的血液與組織細胞之間也不能直接發生氣體交換，還需要通過組織液.也就是說血液中的氧氣需要通過血液→毛細血管壁→組織液→細胞膜→細胞內途徑才能進入細胞，而細胞中的二氧化碳則需要通過與上述過程相反的途徑才能進入血液.而這樣的兩個過程的氧氣和二氧化碳也是通過分壓差來擴散完成的.動脈血、靜脈血及組織處的分壓差如表2.

在組織內，毛細血管起始端中動脈血的氧分壓高于組織液氧分壓，故氧由血液擴散入組織液；組織液二氧化碳分壓高于動脈血二氧化碳分壓，故二氧化碳從組織液擴散入血.血液通過毛細血管的時間較長，氣體交換也很迅速，通過氣體交換，動脈血即變成靜脈血.

從上述分析可知，無論是肺部還是組織細胞處的氣體交換都是由于分壓差通過氣體擴散作用來完成的，只要擴散的兩邊氣體分壓差平衡了，氣體的擴散趨勢也就停止了，因此肺泡中氧氣不可能全部進入血液，血液中的氧氣也不可能全部進入組織細胞；同樣細胞中的二氧化碳不可能全部進入血液，血液中的二氧化碳也不可能全部進入肺泡.由于人體內并不利用氮氣，且通過呼吸系統還可以排出一部分水，因此呼出的氣體中，氮氣74%，氧氣16%，水蒸氣6%，二氧化碳4%.

（收稿日期：2016-08-23）