生理学-电子教材:第五章 呼 吸

第五章　呼吸

　　机体与外界环境之间的气体交换过程，称为呼吸。通过呼吸，机体从大气摄取新陈代谢所需要的O₂，排出所产生的CO₂，因此，呼吸是维持机体新陈代谢和其它功能活动所必需的基本生理过程之一，一旦呼吸停止，生命也将终止。

　　在高等动物和人体，呼吸过程由三个相互衔接并且同进进行的环节来完成（图5-1)：外呼吸或肺呼吸，包括肺通气（外界空气与肺之间的气体交换过程)和肺换气（肺泡与肺毛细血管之间的气体交换过程)；气体在血液中的运输；内呼吸或组织呼吸，即组织换气（血液与组织、细胞之间的气体交换过程)，有时也将细胞内的氧化过程包括在内。可见呼吸过程不仅依靠呼吸系统来完成，还需要血液循环系统的配合，这种协调配合，以及它们与机体代谢水平的相适应，又都受神经和体液因素的调节。

图5-1 呼吸全过程示意图

第一节　肺 通 气

　　肺通气（pulmonary ventilation)是肺与外界环境之间的气体交换过程。实现肺通气的器官包括呼吸道、肺泡和胸廓等。呼吸道是沟通肺泡与外界的通道；肺泡是肺泡气与血液气进行交换的主要场所；而胸廓的节律性呼吸运动则是实验通气的动力。

　　一、呼吸道的主要功能

　　呼吸首（气道)包括鼻、咽、喉（上呼吸道)和气管、支气管及其在肺内的分支（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。

　　（一)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（详见肺通气原理)。

　　（二)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，这些都交危害机体健康。

　　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。

　　1．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。

　　2．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。

　　呼吸道受到机械或化学刺激时，可以引起防御反射，将在呼吸调节的一节中叙述。

　　二、肺通气原理

　　气体进入肺取决于两方面因素的相互作用：一是推动气体流动的动力；一是阻止其流动的阻力。前者必须克服后者，方能实现肺通气，正如心室射血的动力必须克服循环系统的阻力才能推动血液流动一样。

　　（一)肺通气的动力

　　气体进出肺是由大气和肺泡气之间存在着压力差的缘故。在自然呼吸条件下，此压力差产生于肺的张缩所引起的肺容积的变化。可是肺本身不具有主动张缩的能力，它的张缩是由胸廓的扩大和缩小所引起，而胸廓的扩大和缩小又是由呼吸肌的收缩和舒张所引起。当吸气肌收缩时，胸廓扩大，肺随之扩张，肺容积增大，肺内压暂时下降并低于大气压，空气就顺此压差而进入肺，造成吸气（inspiration)。反之，当吸气肌舒张和（或)呼气肌收缩时，胸廓缩小，肺也随之缩小，肺容积减小，肺内压暂时升高并高于大气压，肺内气便顺此压差流出肺，造成呼气（expiration)。呼吸肌收缩、舒张所造成的胸廓的扩大和缩小，称为呼吸运动。呼吸运动是肺通气的原动力。

　　1．呼吸运动 引起呼吸运动的肌为呼吸肌。使胸廓扩大产生吸气动作的肌肉为吸气肌，主要有膈肌和肋间外肌；使胸廓缩小产生呼气动作的是呼气肌，主要有肋间内肌和腹壁肌。此外，还有一些辅助呼吸肌，如斜角肌、胸锁乳突肌和胸背部的其它肌肉等，这些肌肉只在用力呼吸时才参与呼吸运动。

　　（1)吸气运动：只有在吸气肌收缩时，才会发生吸气运动，所以吸气总是主动过程。膈形状似钟罩，静止时向上隆起，位于胸腔和腹腔之间，构成胸腔的底。膈肌收缩时，隆起的中心下移，从而增大了胸腔的上下径，胸腔和肺容积增大，产生吸气。膈下移的距离视其收缩强度而异，平静吸气时，下移约1-2cm，深吸气时，下移可达7-10cm。由于胸廓呈圆锥形，其横截面积上部较小，下部明显加大。因此，膈稍稍下降就可使胸腔容积大大增加。据估计，平静呼吸时因膈肌收缩而增加的胸腔容积相当于总通气量的4/5，所以膈肌的舒缩在肺通气中起重要作用。膈肌收缩而膈下移时，腹腔内的器官因受压迫而使腹壁突出，膈肌舒张是时，腹腔内脏恢复原们画面为膈肌舒缩引起的呼吸运动伴以腹壁的起伏，所以这种型式的呼吸称为腹式呼吸（abdominal breathing)。

　　肋间外肌的肌纤维起自上一肋骨的近脊椎端的下缘，斜向前下方走行，止于下一肋骨近胸骨端的止缘。由于脊椎的位置是固定的，而胸骨可以上下移动，所以当肋间外肌收缩时，肋骨和胸骨都向上提，肋骨下缘还向外侧偏转，从而增大了胸腔的前后径和左右径，产生吸气。肋间外肌收缩越强，胸腔容积增大越多。在平静呼吸中肋间外肌所起的作用较膈肌为小。由肋间肌舒缩使肋骨和胸骨运动所产生的呼吸运动，称为胸式呼吸（thoracic breathing)。腹式呼吸和胸式呼吸常同时存在，其中某种型式可占优势；只有在胸部或腹部活动受到限制时，才可能单独出现某一种型式的呼吸。

　　（2)呼气运动：平静呼气时，呼气运动不是由呼气肌收缩所引起，而是因膈股长肋间外肌舒张，肺依靠本身的回缩力量而回位，并牵引胸廓缩小，恢复其吸气开始前的位置，产生呼气。所以平静呼吸时，呼气是被动的。用力呼吸时，呼气肌才参与收缩，使胸廓进一步缩小，呼气也有了主动的成分。肋间内肌走行方向与肋间外肌相反，收缩时使肋骨和胸骨下移，肋骨还向内侧旋转，使胸腔前后、左右缩小，产生呼气。腹壁肌的收缩，一方面压迫腹腔器官，推动膈上移，另一方面也牵拉下部的肋骨向下向内移位，两者都使胸腔容积缩小，协助产生呼气。

　　（3)平静呼吸和用力呼吸：安静状态下的呼吸称为平静（平和)呼吸（eupnea)。其特点是呼吸运动医学考研网较为平衡均匀，每分钟呼吸频率约12-18次，吸气是主动的，呼气是被动的。机体活动时，或吸入气中的二氧化碳含量增加或氧含量减少时，呼吸将加深、加快，成为深呼吸或用力呼吸，这时不仅有更多的吸气肌参与收缩，收缩加强，而且呼气肌也主动参与收缩。在缺氧或二氧化碳增多较严重的情况下，会出现呼吸困难（dyspnea)，这时，不仅呼吸大大加深，而且出现鼻翼扇动等，同时主观上有不舒服的困压感。

　　2．肺内压 肺内压是指肺泡内的压力。在呼吸暂停、声带开放、呼吸道畅通时，肺内压与大气压相等。吸气之初，肺容积增大，肺内压暂进下降，代于大气压，空气在此压差推动下进入肺泡，随着肺内气体逐渐增加，肺内压也逐渐升高，至吸气末，肺内压已升高到和大气压相等，气流也就停止（图5-2)。反之，在呼气之初，肺容积减小，肺内压暂时升高并超过大气压，肺内气体便流出肺，使肺内气体逐渐减少，肺内压逐渐下降，至呼气末，肺内压又降到和大气压相等。

图5-2 吸气和呼气时，肺内压、胸膜腔内压及呼吸气

容积的变化过程（右)和胸膜腔内压直接测量示意图（左)

（1mmHg=0.133kPa,1cmH20g0.098kPa)

　　呼吸过程中肺内压变化的程度，视呼吸的缓急、深浅和呼吸道是否通畅而定。若呼吸慢，呼吸道通畅，则肺内压变化较小；若呼吸较快，呼吸道不够通畅，则肺内压变化较大。平静呼吸时，呼吸缓和，肺容积的变化也较小，吸气时，肺内压较大气压约低0.133-0.266kPa(1-2mmHg)，即肺内压为-0.266 —-0.133kPa(-2—-1mmHg)；呼气时较大气压约高0.133-0.266kPa(1-2mmHg)。用力呼吸时，呼吸深快，肺内压变化的程度增大。当呼吸道不够通畅时，肺内压的升降将更大。例如紧闭声门，尽力作呼吸动作，吸气时，肺内压可为-13.3——-3.99kPa(-100—-30mmHg)，呼气时可达7.89-18.62kPa(60-140mmHg)。

　　由此可见，在呼吸过程中正是由于肺内压的周期性交替升降，造成肺内压和大气压之间的压力差，这一压力差成为推动气体进出肺的直接动力。一旦呼吸停止，便可根据这一原理，用人为的方法造成肺内压和大气压之间的压力差来维持肺通气，这便是人工呼吸。人工呼吸的方法很多，如用人工呼吸机进入正压通气；简便易行的口对口的人工呼吸；节律地举臂压背或挤压胸廓等。但在旅行人工呼吸时，首先要保持呼吸道畅通，否则，对肺通气而言，操作将是无效的。

　　3．胸膜腔和胸膜腔内压 如上所述，在呼吸运动过程中随胸腔廓的运动而运动。肺为何能随胸廓而运动呢？这是因为在肺和胸廓之间存在一密闭的胸膜腔和肺本身有可扩张性的缘故。胸膜有两层，即紧贴于肺表面的脏层和紧贴于胸廓内壁的壁层。两层胸膜形成一个密闭的潜在的腔隙，为胸膜腔。胸膜腔内仅有少量浆液，没有气体，这一薄层浆液有两方面的作用。一是在两层胸膜之间起润滑作用。因为浆液的粘滞性很低，所以在呼吸运动过程中，两层胸膜可以互相滑动，减小磨擦。二是浆液分子的内聚力使两层胸膜贴附在一起，不易分开，所以肺就可以随胸廓的运动而运动。因此，胸膜腔的密闭性和两层胸膜间浆液分子的内聚力有重要的生理意义。如果胸膜腔破裂，与大气相通，空气将立即进入胸膜腔，形成气胸，两层胸膜彼此分开，肺将因其本身的回缩力而塌陷。这时，尽管呼吸运动仍在进行，肺却减小或失去了随胸廓运动而运动的能力，其程度视气胸的程度和类型而异。显然，气胸时，肺的通气功能受到妨害，严重者，应紧急处理。

　　胸膜腔内的压力为胸膜腔内压（intrapleural pressure)，可用两种方法进行测定。一种是直接法，将与检压计相连接的注射针头斜刺入胸膜腔内，检压计的液而即可直接指示胸膜腔内的压力（图5-2左)。直接法的缺点是有刺破胸膜脏层和肺的危险。另一种方法是间接法，让受试者吞下带有薄壁气囊的导管至下胸部的食管，由测量呼吸过程中食管内压变化来间接地指示胸膜腔内压变化。这是因为食管在胸内介于肺和胸壁之间，食管壁薄而软，在呼吸过程中两者的变化值基本一致。故可以测食管内压力的变化以间接反映胸膜腔内压的变化。

　　测量表明胸膜腔内压比大气压低，为负压。平静呼气末胸膜腔内压约为-0.665—-0.399kPa(-5—-3mmHg)，吸气末约为-1.33—-0.665kPa(-10—-5mmHg)（图5-2)。关闭声门，用力吸气，胸膜腔内压可降至-11.97kPa(-90mmHg)，用力呼气时，可升高到14.63kPa(110mmHg)。胸膜腔内负压不便作用于肺，牵引其扩张，也作用于胸腔内其它器官，特别是壁薄而可扩张性大的腔静脉和胸导管等，影响静脉血和淋巴液的回流。

　　胸膜腔内压为何是负压？从分析作用于胸膜腔的力来说明。有两种力通过胸膜脏层作用于胸膜腔：一是肺内压，使肺泡扩张；一是肺的弹性回缩力，使肺泡缩小（图5-2左，箭头所示)。因此，胸膜腔内的压力实际上是这两种方向相反的力的代数和，即：

　　胸膜爱内压=肺内压-肺弹性回缩力

　　在吸气末和呼气末，肺内压等于大气压，因而

　　胸膜腔内压=大气压-肺弹性回缩力

　　若以1个大气压为0位标准，则

　　胸膜腔内压= -肺弹性回缩力

　　如果肺弹性回缩力是0.665kPa(5mmHg)，胸膜腔内压就是-0.665kPa(-5mmHg)，实际的压力值便是101.08kPa—0.665kPa=100.415kPa(760mmHg—5mmHg=755mmHg)。可见，胸膜腔负压是由肺的弹性回缩力（其来源见下文，肺的弹性阻力和顺应性)造成的。吸气时，肺扩张，肺的弹性回缩力增大，胸膜腔负压也更负。呼气时，肺缩小，肺弹性回缩力也减小，胸膜腔负压也减少。但是，为什么在呼气末胸膜腔内压仍然为负？这是因为胎儿出生后，胸廓生长的速度比肺快，以致胸廓经常牵引着肺，即便在胸廓因呼气而缩小时，仍使肺处于一定程度的扩张状态，只是扩张程度小些而已。所以，正常情况下，肺总是表现出回缩倾向，胸膜腔内压因而经常为负。

　　综上所述，可将肺通气的动力概括如下：呼吸肌的舒缩是肺通气的原动力，它引起胸廓的张缩，由于胸膜腔和肺的结构功能特征，肺便随胸廓的张缩而张缩，肺容积的这种变化又造成肺内压和大气压之间的压力差，此压力差直接推动气体进出肺。

　　(二)肺通气的阻力

　　肺通气的动力需要克服肺通气的阻力方能实现肺通气。阻力增高是临床上肺通0气障碍最常见的原因。肺通气的阻力有两种：弹性阻力（肺和胸廓的弹性阻力)，是平静呼吸时主要阻力，约占总阻力的70%；非弹性阻力，包括气道阻力，惯性阻力和组织的粘滞阻力，约占总阻力的30%，其中又以气道阻力为主。

　　1．弹性阻力和顺应性 弹性组织在外力作用下变形时，有对抗变形和弹性回位的倾向，为弹性阻力。用同等大小的外力作用时，弹性阻力大者，变形程度小；弹性阻力小者，变形程度大。一般用顺应性（compliance)来度量弹性阻力。顺应性是指在外力作用下弹性组织的可扩张性，容易扩张者顺应性大，弹性阻力小；不易扩张者，顺应性小，弹性阻力大。可见顺应性（C)与弹性阻力（R)成反变关系：

　　C＝1/R

　　顺应性用单位压力变化（△P)所引起的容积变化（△V)来表示，单位是L/cmH₂O，即 C＝[（△V/△P)L ]/[cmH₂O ]。

　　（1)肺弹性阻力和肺顺应性：肺具有弹性，在肺扩张变形时所产生的弹性回缩力，其方向与肺扩张的方向相反，因为是吸气的阻力，即肺弹性回缩力是肺的弹性阻力。肺的弹性阻力可用肺顺应性表示：

　　跨肺压是肺内压与胸膜腔内压之差。

　　1)肺静态顺应性曲线：测定肺顺应性时，进行分步吸气（或打气入肺)或分步呼气（或从肺内抽气)，每步吸气或呼气后，屏气，放松呼吸肌，测定肺容积的变化和胸膜腔内压（因为这时呼吸道内没有气流流动，肺内压等于大气压，所以只测胸膜腔内压就可知道跨肺压)。然后绘制容积-压力（V-P)曲线（图5-3)，就是肺的顺应性曲线。因为测定是在屏气无气流的情况下进行的，所在是肺静态顺应性。曲线的斜率反映不同肺容量下顺应性或弹性阻力的大小。曲线斜率大，顺应性大，弹性阻力小；曲线斜率小，则意义相反。正常成年人在平静呼气末，肺容积约为肺总量的40%左右时，肺顺应性正好位于曲线的中段，此段斜率最大，故平静呼吸时肺弹性阻力小，呼吸省力。此时健康成年人C_L约为0.2L/cmH₂O。当肺充血、肺组织纤维化化或肺泡表面活性物质（见后文)减少时，肺的弹性阻力增加，患者吸气困难；肺气肿时，肺弹性成分大量破坏，肺回缩量减小，弹性阻力减小，患者呼气困难。

图5-3 肺的静态顺应性曲线（1cmH₂O=0.098kPa)

　　2)比顺应性：肺顺应性还受肺总量的影响。肺总量大的，其顺应性较大；反之，较小。现举例说明。设若用0.5kPa(5cmH₂O)的压力将1L的气体注入一个人的两肺，计算得出全肺顺应性为0.2L/cmH₂O。如果左、右两肺的容积和顺应性是一样的，那么同样0.5kPa的压力，将同样1L气体送入肺内，每侧肺容量仅增加0.5L,计算出每侧肺的顺应性只有 0.1L/cmH₂O，而不是0.2L/cmH₂O。这是因为吸入同等容积的气体，在肺总量较大者，其扩张程度较小，弹性回缩也也较小，弹性阻力小，仅需较小的跨肺压变化即可，顺应性大；而在肺总量较小者，其扩张程度大，弹性加缩力也大，弹性阻力大，需较大的跨肺压变化，故顺应性小。由于不同个体间肺总量存在着差别，在比较其顺应性时必须排除肺总量的影响，进行标准化，测定单位肺容量下的顺应性，即比顺应性（specific compliance)。比顺应性=测得的肺顺应性（L/cmH₂O)/肺总量（L)。

　　3)肺弹性阻力的来源：肺弹性阻力来自肺组织本身的弹性加回缩力和肺泡内侧的液体层同肺泡内气体之间的液-气界面的表面张力所产生的回缩力，两者均使肺具有回缩倾向，故成为肺扩张的弹性阻力。

　　肺组织的弹性阻力主要来自弹力和胶原纤维，当肺扩张时，这些纤维被牵拉便倾向于回缩。肺扩张越大，对纤维的牵拉程度也越大，回缩力也越大，弹性阻力也越大，反之则小。

　　图5-4示离体的肺在充气和充生理盐水时各自的顺应性曲线。可见扩张充气的肺比扩张充生理盐水的肺所需的跨肺压力大得多，前者约为后者的3倍。这是因为充气时，在肺泡内衬液和肺泡气之间存在液-气界面，从而产生表面张力。球形液-气界面的表面张力方向是向中心的，倾向于使肺泡缩小，产生弹性阻力。而充生理盐水时，没有液-气界面，因此不存在表面张力作用，仅肺组织的弹性回缩所产生的阻力作用。由此可见，肺组织的弹性阻力仅约占肺总弹性阻力的1/3，而表面张力的约占2/3。因此，表面张力对肺的张缩有重要的作用。

图5－4　充空气和充生理盐水时肺的顺应性曲线（1cmH₂O=0.098kPa)

　　根据Laplace定律，P=2T/r(P是肺内的压力，T是肺泡表面张力，r是肺泡半径)。如果大、小肺泡的表面张力量样的，那么，肺泡内压力将随肺泡半径的大小而反变。小的肺泡，压力大；小的肺泡，压力小。如果这些肺泡彼此连通，结果小肺泡内的气体将流入大肺泡，小肺泡塌陷，大肺泡膨胀，肺泡将失去稳定性（图5-5)。但实际并未发生这种情况，这是因为肺泡存在着降低表面张力作用的表面活性物质的缘故。

　　肺泡表面活性物质（alveolar surfactant)是复杂的脂蛋白混合物，主要成分是二棕榈酰卵磷脂（dipalmitoyl lecithin,DPL或 dipalmitoylphosphatidyl choline choline,DPPC)，由肺泡Ⅱ型细胞合成并释放，分子的一端是非极性疏水的脂肪酸，不溶于水，另一端是极性的易溶于水。因此，DPPC分子垂直排列于液-气界面，极性端插入水中，非极性端伸入肺泡气中，形成单分子层分布在液-气界面上，并随肺泡的张缩而改变其密度。正常肺泡表面活性物质不断更新，以保持其正常的功能。

图5-5 相联通的大小不同的液泡内压及气流方向示意图1cmH₂O=0.098kPa

　　肺泡表面活性物质降低表面张力的作用，有重要的生理功能。表面活性物质使肺泡液-气界面的表面张力降至10^-4N/cm以下，比血浆的5×10^-4N/cm低得多，这样，就减弱了表面张力对肺毛细血管中液体的吸引作用，防止了液体渗入肺泡，使肺泡得以保持相对干燥。此外，由于肺泡表面活性物质的密度大，降低表面张力的作用强，表面张力小，使小肺泡内压力不致过高，防止了小肺泡的塌陷；大肺泡表面张力则因表面活性物质分子的稀疏而不致明显下降，维持了肺内压力与小肺泡相等，不致过度膨胀，这样就保持了大小肺泡的稳定性，有利于吸入气在肺内得到较为均匀的分布。

　　成年人患肺炎、肺血栓等疾病时，可因表面活性物质减少而发生肺不张。初生儿也可因缺乏表面活性物质，发生肺不张和肺泡内表面透明质膜形成，造成呼吸窘迫综合症，导致死亡。现在已可应用抽取羊水并检查其表面活性物质含量的方法，协助判断发生这种疾病的可能性，采取措施，加以预防。例如，如果含量缺乏，则可延长妊娠时间或用药物（糖皮质类固醇)促进其合成。因此，了解肺泡Ⅱ型细胞的成熟过程及其表面活性物质的代谢和调节有重要的理论和实际意义。

　　（2)胸廓的弹性阻力和顺应性：胸廓也具有弹性，呼吸运动时也产生弹性阻力。但是，因胸廓弹性阻力增大而使肺通气发生障碍的情况较为少见，所以临床意义相对较小。胸廓处于自然位置时的肺容量，相当于肺总是的67%左右，此时胸廓毫元变化，不表现有弹性回缩力。肺容量小于总量的67%，胸廓被牵引向内而缩小，胸廓的弹性回缩力向外，是吸气的动力，呼气的弹性阻力；肺容量大于肺总量的67%时，胸廓被牵引向外而扩大，其弹性回缩力向内，成为吸气的弹性阻力，呼气的动力。所以胸廓的弹性回缩力既可能是吸气的弹性阻力，也可能是吸气的动力，视胸廓的位置而定，这与肺的不同，肺的弹性回缩力总是吸气的弹性阻力。

　　跨壁压为胸膜腔内压与胸壁外大气压之差。正常人胸廓顺应性也是0.2L/cmH₂0。胸廓顺应性可因肥胖、胸廓畸形、胸膜增厚和腹内占位病变等而降低。

　　因为肺和胸廓的弹性阻力呈串联排列，所以肺和胸廓的总弹性阻力是两者弹性阻力之和，如以顺应性来表示，即：

　　所以总顺应性为　0.1L/cmH₂0。

　　2. 非弹性阻力　非弹性阻力包括惯性阻力、粘滞阻力和气道阻力。惯性阻力是气流在发动、变速、换向时因气流和组织的惯性所产生的阻止运动的因素。平静呼吸时，呼吸频率低、气流流速慢，惯性阻力小，可忽略不计。粘滞阻力来自呼吸时组织相对位称所发生的磨擦。气道阻力来自气体流经呼吸道时气体分子间和气体分子与气道之间的磨擦，是非弹性阻力的主要成分，约占80%-90%。非弹性阻力是气体流动时产生的，并随流速加快而增加，故为动态阻力。

　　气道阻力（airway resistance)可用维持单位时间内气体流量所需压力差来表示：

　　健康人，平静呼吸时的总气道阻力为1-3cmH₂0/L·S^-1，主要发生在鼻（约占总阻力50%)，声门（约占25%)及气管和支气管（约占15%)等部位，仅10%的阻力发生在口径小于2mm的细支气管。

　　气道阻力受气流流速、气流形式和管径大小影响。流速快，阻力大；流速慢，阻力小。气流形式有层流和湍流，层流阻力小，湍流阻力大。气流太快和管道不规则容易发生湍流。如气管内有粘液、渗出物或肿瘤、异物等时，可用排痰、清除异物、减轻粘膜肿胀等方法减少湍流，降低阻力。气道管径大小是影响气道阻力的另一重要因素。管径缩小，阻力大增，因为R∝1/r⁴（见循环系统)。气道管径又受四方面因素折影响：

　　（1)跨壁压：这里跨壁压是指呼吸道内外的压力差。呼吸道内压力高，跨壁压增大，管径被动扩大，阻力变小；反之则增大。

　　（2)肺实质对气道壁的外向放射状牵引：小气道的弹力纤维和胶然后纤维与肺泡壁的纤维彼此穿插，这些纤维象帐蓬的拉线一样对气道发挥索引作用，以保持那些没有软骨支持的细支气管的通畅。

　　（3)自主神经系统对气道管壁平滑肌舒缩活动的调节：呼吸道平滑肌受交感、副交感双重神经支配，两者均有紧张性。副交感神经使气道平滑肌收缩，管径变小，阻力增加；交感神经使平滑肌舒张，管径变大，阻力降低，临床上常用拟上腺素能药物解除支气管痉挛，缓解呼吸困难，近来发现呼吸道平滑肌的舒缩还受自主神经释放的非乙酰胆碱的共存递质的调制，如神经肽（血管活性肠肽、神经肽Y、速激肽等)。它们或作用于接头前受体，调制递质的释放、或作用于接头后，调制对递质的反应或直接改变效应器的反应。

　　（4)化学因素的影响：儿茶酚胺可使气道平滑肌舒张；前列腺素F_2α可使之收缩，而E₂使之舒张；过敏反应时由肥大细胞释放的组胺和慢反应物质使支气管收缩；吸入气CO₂含理的增加可以刺激支气管、肺的C类纤维，反射性地使支气管收缩，气道阻力增加。近来的研究发现气道上皮可合成、释放内皮素，使气道平滑肌收缩。哮喘病人肺内皮素的合成和释放增加，提示内皮素可能参与哮喘的病理生理过程。

　　在上述四种因素中，前三种均随呼吸而发生周期性变化，气道阻力也因而出现周期性改变。跨壁压增大（因胸膜内压下降)，交感神经兴奋都能使气道口径增大，阻力减小；呼气时发生相反的变化，使气道口径变小，阻力增大，这也是为何支气管哮喘病人呼气比吸气更为困难的主要原因。

　　（三)呼吸功

　　在呼吸过程中，呼吸肌为克服弹性阻力和右面弹性阻力而实现肺通气所作的功为呼吸功。通常以单位时间内压力变化乘以容积变化来计算，单位是kg·m。正常人平静呼吸时，呼吸功不大，每分钟约为0.3-0.6kg·m,其中2/3用来克服弹性阻力，1/3用来克服非弹性阻力。劳动或运动时，呼吸频率、深度增加，呼气也有主动成分的参与，呼吸功可增至10kg·m。病理情况下，弹性或非弹性阻力增大时，也可使呼吸功增大。

　　平静呼吸时，呼吸耗能仅占全身耗能的3%。剧烈运动时，呼吸耗能可升高25倍，但由于全身总耗能也增大15-20倍，所以呼吸耗能仍只占总耗能的3%-4%。

　　三、基本肺容积和肺容量

　　了解肺通气量的简单方法是用肺量计记录进出肺的气量。图5-6示呼吸时肺容量变化的曲张。

　　（一)基本肺容积

　　图5-6左侧示肺的四种基本容积，它们互不重叠，全部相加等于肺的最大容量。

　　1．潮气量 每次呼吸时吸入或呼出的气量为潮气量（tidal volume,TV)。平静呼吸时，潮气量为400-600ml,一般以500ml 计算。运动时，潮气量将增大。

　　2．补吸气量或吸气贮备 平静吸气末，再尽力吸气所能吸入的气量为补吸气量（inspiratory reserve volume,IRV)，正常成年人约为1500-200ml。

　　3．补呼气量或呼气贮备量 平静呼气末，再尽力呼气所能呼出的气量为补呼气量（espiratory reserve volume,ERV)，正常成年人约为900-1200ml。

　　4．余气量或残气量 最大呼气末尚存留于肺中不能再呼出的气量为余气量（res idual volume,RV)。只能用间接方法测定，正常成人约为1000-1500ml。支气管哮喘和肺气肿患者，余气量增加。目前认为余气量是由于最大呼气之末，细支气管，特别是呼吸性细支气管关闭所致。

　　（二)肺容量

　　是基本肺容积中两项或两项以上的联合气量（图5-5右)。

　　1．深吸气量 从平静呼气末作最大吸气时所能吸入的气量为深吸气量（inspiratory capacity)，它也是潮气量和补吸气量之和，是衡量最大通气潜力的一个重要指示。胸廓、胸膜、肺组织和呼吸肌等的病变，可使深吸气量减少而降低最大通气潜力。

　　2．功能余气量 平静呼气末尚存留于肺内的气量为功能余气量（functional residual capacity,FRC)，是余气量和补呼气量之和。正常成年人约为2500ml，肺气肿患者的功能余气量增加，肺实质性病变时减小。功能余气量的生理意义是缓冲呼吸过程中肺泡气氧和二氧化碳分压（PO₂和PCO₂)的过度变化。由于功能余气量的稀释作用，吸气时，肺内PO₂不至突然升得太高，PCO₂不致降得太低；呼气时，肺内PO₂则不会降得太低，PCO₂不致升得太高。这样，肺泡气和动脉血液的PO₂和PCO₂就不会随呼吸而发生大幅度的波动，以处于气体交换。

图5-6 基本肺容积和肺容量图解

　　3．肺活量和时间肺活量 最大吸气后，从肺内所能呼出的最大气量称作肺活（vital capacity,VC)，是潮气量、补吸气量和补呼气量之和。肺活量有较大的个体差异，与身材大小、性别、年龄、呼吸肌强弱等有关。正常成年男性平均约为3500ml，女性为2500ml。

　　肺活是反映了肺一次通气的最大能力，在一定程度上可作为肺通气功能的指标。但由于测定肺活量时不限制呼气的时间，所以不能充分反映肺组织的弹性状态和气道的通畅程度，即通气功能的好坏。例如，某些病人肺组织弹性降低或呼吸道狭窄，通气功能已经受到损害，但是如果延长呼气时间，所测得的肺活量是正常的。因此，提出时间肺活量（timed vital capacity)，也称用力呼气量的概念，用来反映一定时间内所能呼出的气量。时间肺活量为单位时间内呼出的气量占肺活量的百分数。测定时，让受试者先作一次深吸气，然后以最快的速度呼出气体，同时分别测量第1、2、3s末呼出的气量，计算其所占肺活量的百分数，分别称为第1、2、3s的时间肺活量（图5-7)，正常人各为83%、96%和99%肺活量。时间肺活量是一种动态指标，不仅反映肺活量容量的大小，而且反映了呼吸所遇阻力的变化，所以是评论肺通气功能的较好指标。阻塞性肺疾病患者往往需要5-6秒或更长的时间才能呼出全部肺活量。

图5-7 时间肺活量

A：正常时间肺活量 B：气道狭窄时的时间肺活量

4．肺总量肺所能容纳的最大气量为肺总量（total lung capacity,TLC)，是肺活量和余气量之和。其值因性别、年龄、身材、运动锻炼情况和体位而异。成年男性平均为5000ml，女性3500ml。

　　四、肺 通 气 量

　　（一)每分通气量

　　每分通气量（minute ventilation volume)是指每分钟进或出肺的气体总量，等于呼吸频率乘潮气量。平静呼吸时，正常成年人呼吸频率每分12-18次，潮气量500ml，则每分通气量6-9L。每分通气量随性别、年龄、身材和活动量不同而有差异。为便于比较，最好在基础条件下测定，并以每平方米体表面积为单位来计算。

　　劳动和运动时，每分通气量增大。尽力作深快呼吸时，每分钟所能吸入或呼出的最大气量为最大通气量。它反映单位时间内充分发挥全部通气量，是估计一个人能进行多大运动量的生理指标之一。测定时，一般只测量10s或15s最深最快的呼出或吸入量，再换算成每分钟的，即为最大通气量。最大通气量一般可达70-120L。比较平静呼吸时的每分通气量和最大通气量，可以了解通气功能的贮备能力，通常用通气贮量百分比表示：

　　 通气贮量百分比＝[（最大通气量－每分平静通气量)／最大通气量 ]×100%

　　正常值等于或大于93%。

　　（二)无效腔和肺泡通气量

　　每次吸入的气体，一部分将留在从上呼吸道至呼吸性细支气管以前的呼吸道内，这部分气体均不参与肺泡与血液之间的气体交换，故称为解剖无效腔（anatomical dead space)，其容积约为150ml。进入肺泡内的气体，也可因血流在肺内分布不均而未能都与血液进入气体交换，未能发生气体交换的这一部分肺泡容量称为肺泡无效腔。肺泡无效腔与解剖无效腔一起合称生理无效腔（physiollgical dead space)。健康人平卧时生理无效腔等于或接近于解剖无效腔。

　　由于无效腔的存在，每次吸入的新鲜空气不能都到达肺泡进入气体交换。因此，为了计算真正有效的气体交换，应以肺泡通气量为准。肺泡通气量（alveolar ventilation)是每分钟吸入肺泡的新鲜空气量，等于（潮气量-无效腔气量)×呼吸频率。如潮气量是500ml，无效腔气量是150ml，则每次呼吸仅使肺泡内气体更新1/7左右。潮气量和呼吸频率的变化，对肺通气和肺泡通气有不同的影响。在潮气量减半和呼吸频率加倍或潮气量加倍而呼吸频率减半时，肺通气量保持不变，但是肺泡通气量却发生明显的变化，如表5-1所示。故从气体交换而言，浅而快的呼吸是不利的。

表5-1 不同呼吸频率和潮气量时的肺通气量和肺泡通气量

　　高频通气 近年来，临床上在某些情况下（如配合支气管镜检查，治疗呼吸衰竭等)使用一种特殊形式的人工通气，即高频通气。这是一种频率很高，潮气量很低的人工通气，其频率可为每分钟60-100次或更高，潮气量小于解剖无效腔，但却可以保持有效的通气和换气，这似乎与上述浅快呼吸不利于气体交换的观点矛盾。目前，对于高频通气何以能维持有效的通气和换气还不太清楚，可能其通气原理与通常情况下的通气原理不尽相同，有人认为它和气体对流的加强及气体分子扩散的的加速有关。高频通气的临床应用和通气原理都有待进一步研究。

第二节　呼吸气体的交换

　　肺通气使肺泡不断更新，保持了肺泡气PO₂、PCO₂的相对稳定，这是气体交换得以顺利进行的前提。气体交换包括肺换气和组织换气，在这两处换气的原理一样。

　　一、气体交换原理

　　（一)气体的扩散

　　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。综上所述，气体扩散速率与上述诸因素的关系是：

　　（二)呼吸气和人体不同部位气体的分压

　　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。

　　上述各部分气体的成分和分压如表5-2所示。

　　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。表5-3示血液和组织中的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。

表5-2 海平面各气体的容积百分比ml%和分压kPa(mmHg)

　　N₂在呼吸过程中并无增减，只是因O₂和CO₂百分比的改变，使N₂的百分比发生相对改变

表5-3 血液和组织中气体的分压kPa(mmHg)

　　二、气体在肺的交换

　　（一)交换过程

　　混合静脉血流经肺毛细血管时，血液PCO_{2医学三基}是5.32kPa(40mmHg)，比肺泡气的13.83kPa(104mmHg)低，肺泡气中O2便由于分压的差向血液扩散，血液的PCO₂便逐渐上升，最后接近肺泡气的PCO₂。CO₂则向相反的方向扩散，从血液到肺泡，因为混合静脉血的PCO₂是6.12kPa(46mmHg)，肺泡的PCO₂是5.32kPa(40mmHg)。（图5-8)。O₂和CO₂的扩散都极为迅速，仅需约0.3s即可达到平衡。通常情况下血液流经肺毛细血管的时间约0.7s，所以当血液流经肺毛细血管全长约1/3时，已经基本上完成交换过程（图5-9)。可见，通常情况下肺换气时间绰绰有余。

图5-8 气体交换示意图数字为气体分压mmHg(1mmHg=0.133kPa)

图5-9 肺毛细血管血液从肺泡摄取O2（A)和向肺泡排出CO2（B)的过程

（(1mmHg=0.133kPa))

　　（二)影响肺部气体交换的因素

　　前面已经提到气体扩散速率受分压差、扩散面积、扩散距离、温度和扩散系数的影响。这里只需具体说明肺的扩散距离和扩散面积以及影响肺部气体交换的其它因素，即通气/血流比值的影响。

　　1．呼吸膜的厚度 在肺部肺泡气通过呼吸膜（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关系，膜越厚，单位时间内交换的气体量就越少。呼吸膜由六层结构组成（图5-10)；含表面活性物质的极薄的液体层、很薄的肺泡上皮细胞层、上皮基底膜、肺泡上皮和毛细血管膜之间很小的间隙、毛细血管的基膜和毛细血管内皮细胞层。虽然呼吸膜有六层结构，但却很薄，总厚度不到1μm，有的部位只有0.2μm，气体易于扩散通过。此外，因为呼吸膜的面积极大，肺毛细血管总血量不多，只60-140ml，这样少的血液分布于这样大的面积，所以血液层很薄。肺毛细血管平均直径不足8μm，因此，红细胞膜通常能接触至毛细血管壁，所以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。病理情况下，任何使呼吸膜增厚或扩散距离增加的疾病，都会降低扩散速率，减少扩散量，如肺纤维化、肺水肿等，可出现低氧血症；特别是运动时，由于血流加速，缩短了气体在肺部的交换时间，这时呼吸膜的厚度和扩散距离的改变显得更有重要性。

图5-10 呼吸膜结构示意图

　　2．呼吸膜的面积 气体扩散速率与扩散面积成正比。正常成人肺有3亿左右的肺泡，总扩散面积约70m²。安静状态下，呼吸膜的扩散面积约40m²,故有相当大的贮备面积。运动时，因肺毛细血管开放数量和开放程度的增加，扩散面积也大大增大。肺不张、肺实变、肺气肿或肺毛细血管关闭和阻塞均使呼吸膜扩散面积减小。

　　3．通气/血流比值的影响 通气/血流比值（ventilation/perfusion ratio)是指每分肺通气量（V_A)和每分肺血流量（Q)之间的比值（V_A/Q)，正常成年人安静时约为4.2/5=0.84。不难理解，只有适宜的V_A/Q才能实现适宜的气体交换，这是因为肺部的气体交换依赖于两个泵协调工作。一个是气历史意义，使肺泡通气，肺泡气得以不断更新，提供O₂，排出CO₂；一个是血泵，向肺循环泵入相应的血流量，及时带起摄取的O₂，带来机体产生的CO₂。如果V_A/Q比值增大，这就意味着通气过剩，血流不足，部分肺泡气未能与血液气充分交换，致使肺泡无效腔增大。反之，V_A/Q下降，则意味着通气不足，血流过剩，部分血液流经通气不良的肺泡，混合静脉血中的气体未能得到充分更新，未能成为动脉血就流回了心脏。犹如发生了动-静脉短路，只不过是功能性的而不是解剖结构所造成的动-静脉短路。由此可见，V_A/Q增大，肺泡无效腔增加；V_A/Q减小，发生功能性动-静脉短路。两者都妨碍了有效的气体交换，可导致血液缺O₂或CO₂潴留，但主要是血液缺O₂。这是因为，动、静脉血液之间O₂分压差远远大于CO₂的，所以动-静脉短路时，动脉血PO₂下降的程度大于PCO₂升高的程度；CO₂的扩散系数是O₂的20倍，所以CO₂的扩散较O₂为快，不易潴留；动脉血PO₂下降和PCO₂升高，可以刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO₂的排出，却几乎无助于O₂摄取，这是由氧离曲线和CO₂解离曲线的特点所决定的（见第三节)。肺气肿病人，因许多细支气管阻塞和肺泡壁的破坏，上述两种V_A/Q异常都可以存在，致使肺换气速率受到极大损害，这是造成肺换气功能异常最常见的一种疾病。

　　健康成人就整个肺而言V_A/Q是0.84。但是肺内肺泡通气量和肺毛细血管血流量的分布不是很均匀的，因此，各个局部的通气/血流比值也不相同，用整个肺的V_A/Q就不以反映出来。例如人友直立位时，由于重力等因素的作用，肺尖部的通气和血流都较肺底的小，不过血流量的减少更为显著，所以肺尖部的通气/血流比值增大，产生中度肺泡无效腔，而肺底的比值减小，产生功能性动-静脉短路（图5-11)。虽然正常情况下存在着肺泡通气和血流的不均匀分布，但从总体上说，由于呼吸膜面积远远超过气体交换的实际需要，所以并未明显影响O₂的摄取和CO₂的排出。

图5-11 正常人直立时肺通气和血流量的分布V_A/Q，通气/血流比值

　　（三)肺扩散容量

　　气体在0.133kPa(1mmHg)分压差作用下，每分钟通过呼吸膜扩散的气体的ml数为肺扩散容量（pulmonary diffusion capacyty,D_L)，即：

　　D_L=V／（P_A-P_C)

　　V是每分钟通过呼吸膜的气体容积（ml/min)，P_A是肺泡气中该气体的平均分压，Pc是肺毛细血管血液内该气体的平均分压。肺扩散容量是测定呼吸气通过呼吸膜的能力的一种指标。正常人安静时氧的肺扩散容量平均约为20ml/min·0.133kPa，CO₂的为O₂的20倍。运动时D_L增加，是因为参与气体交换的肺泡膜面积和肺毛细血管血流量增加以及通气、血流的不均分布得到改善所致，D_L可因有效扩散面积减小扩散距离增加而降低。

　　三、气体在组织的交换

　　气体在组织的交换机制、影响因素与肺泡处相似，所不同者是交换发生于液相（血液、组织液、细胞内液)之间，而且扩散膜两侧的O₂和CO₂的分压差随细胞内氧化代谢的强度和组织血流量而异血流量不变时，代谢强、耗O₂多，则组织液CO₂低，PCO₂高；代谢率不变时，血流量大，则PO₂高，PCO₂低。

　　在组织处，由于细胞有氧代谢，O₂被利用并产生CO_2，所以PO₂可低至3.99kPa（30mmHg)以下，PCO₂可高达6.65kPa（30mmHg)以上.动脉血流经组织毛细血管时,便顺分压差由血液向细胞扩散,CO₂则由细胞内血液扩散(图5-8),动脉血因失去O₂和得到CO₂而变成静脉血。

降低和CO中毒，曲线左移。

　　三、二氧化碳的运输

　　（一)CO₂的运输

　　血液中CO₂也 以溶解和化学结合的两种形式运输。化学结合的CO₂主要是碳酸氢盐和氨基甲酸血红蛋白。表5-5示血液中各种形式CO₂的含量（ml/100ml 血液)、运输量（%)和释出量（%)。溶解的CO₂约占总运输量的5%，结合的占95%（碳酸氢盐形式的占88%，氨基甲酸血红蛋白形式占7%)。

　　从组织扩散入血CO₂首先溶解于血浆，一小部分溶解的CO₂缓慢地和水结合生成碳酸，碳酸又解离成碳酸氢根和氢离子，H⁺被血浆缓冲系统缓冲，pH无明显变化。溶解的CO₂也与血浆蛋白的游离氨基反应，生成打官司基甲酸血浆蛋白，但形成的量极少，而且动静脉中的含量相同，表明它对CO₂的运输不起作用。

　　在血浆中溶解的CO₂绝大部分扩散进入红细胞内，在红细胞内主要以下述结合形式存在：

表5-5 血液中各种形式CO₂的含量（ml/100ml血液)、运输量（%)和释出量（%)

　　运输量（%)是指各种形式的CO₂含量/CO₂总含量×100%

　　释放量（%)是指各种形式的CO₂在肺释放量/CO₂总释放量×100%

　　1．碳酸氢盐 从组织扩散进入血液的大部分CO₂，在红细胞内与水反应生成碳酸，碳酸又解离成碳酸氢根和氢离子，反应极为迅速，可逆（图5-15)。这是因为红细胞内含有较高浓度的碳酸酐酶，在其催化下，使反应加速5000倍，不到1s即达平衡。在此反应过程中红细胞内碳酸氢根浓度不断增加，碳酸氢根便顺浓度梯度红细胞膜扩散进入血浆。红细胞负离子的减少应伴有同等数量的正离子的向外扩散，才能维持电平衡。可是红细胞膜不允许正离子自由通过，小的负离子可以通过，于是，氯离子便由血浆扩散进入红细胞，这一现象称为氯离子转移（chloride shift)。在红细胞膜上有特异的HCO₃^—CI^-载体，运载这两类离子跨膜交换。这样，碳酸氢根便不会在红细胞内堆积，有利于反应向右进行和CO₂的运输。在红细胞内，碳酸氢根与K⁺结合，在血浆中则与Na⁺结合成碳酸氢盐。上述反应中产生的H⁺，大部分和Hb结合，Hb 是强有力的缓冲剂。

图5-15 CO₂在血液中的运输示意图

　　在肺部，反应向相反方向（左)进行。因为肺泡气PCO₂比静脉血的低，血浆中溶解的CO₂首先扩散入肺泡，红细胞内的HCO₃+H⁺生成H²CO₃，碳酸酐酶又催化H²CO₃分解成CO₂和H²O，CO₂又从红细胞扩散入血浆，而血浆中的HCO₃便进入红细胞以补充消耗的HCO₃，CI^-则出红细胞。这样以HCO₃形式运输的CO₂，在肺部又转变成CO₂释出。

　　2．氨基甲酸血红蛋白 一部分CO₂与Hb的氨基结合生成氨基甲酸血红蛋白（carbaminohemoglobin)，这一反应无需酶的催化、迅速、可逆，主要调节因素是氧合作用。

　　HbO₂与CO₂结合形成HbNHCOOH的能力比去氧Hb的小。在组织里，解离释出O₂，部分HbO₂变成去氧Hb，与CO₂结合生成HbNHCOOH。此外，去氧Hb 酸性较HbO₂弱，去氧Hb和H⁺结合，也促进反应向右侧进行，并缓冲了pH的变化。在肺的HbO₂生成增多，促使HHbNHCOOH解离释放CO₂和H⁺，反应向左进行。氧合作用的调节有重要意义，从表5-5可以看出，虽然以氨基甲酸血红蛋白形式运输的CO₂仅占总运输量的7%，但在肺排出的CO₂中却有17.5%是从氨基甲酸血红蛋白释放出来的。

　　（二)CO₂解离曲线

　　CO₂解离曲线（carbondioxide dissociation curve)是表示血液中CO₂含量与PCO₂关系的曲线（图5-16)。与氧离曲线不同，血液CO₂含量随PCO₂上升而增加，几乎成线性关系而不是s 形，而且没有饱和点。因此，CO₂解离曲线的纵坐标不用饱和度而用浓度来表示。

　　图5-16的A点是静脉血PO₂5.32kPa(40mmHg)，PCO₂6kPa(45mmHg)时的CO₂含量，约为52ml%；B点是动脉血PO₂13.3kPa(100mmHg)，PCO₂5.32kPa(40mmHg)时的CO₂含量，约为48ml%，血液流经肺时通常释出CO₂4ml/100ml血液。

图5-16 CO₂解离曲线

A：静脉血 B：动脉血 （1mmHg=0.133kPa)

　　(三)氧与Hb的CO₂运输的影响

　　O₂与Hb结合将促使CO₂释放，这一效应称作何尔登效应（ Haldane effect)。从图5-16可以看出，在相同PCO₂下，动脉血（HbO₂)携带的CO₂比静脉血少。这主要是因为HbO₂酸性较强，而去氧Hb酸性较弱的缘故。所以去氧Hb易和 CO₂结合生成 HbNHCOOh ，也易于和H⁺结合，使H₂CO₂ 解离过程中产生的 H⁺被及时移去，有利于反应向右进行，提高了血液运输CO₂的量。于是，在组织中，由于HbO₂释出O₂而成去氧Hb，经何尔登效应促使血液摄取并结合CO₂；在肺，则因Hb与 O₂结合，促使CO₂释放。可见O₂和CO₂的运输不是孤立进行的，而是相互影响的。CO₂通过波尔效效影响O₂的结合和释放，O₂又通过何尔登效应影响CO₂的结合和释放。两者都与Hb的理化特性有关

第四节　呼吸运动的调节

　　呼吸运动是一种节律性的活动，其深度和频率随体内、外环境条件的改变而改变例如劳动或运动时，代谢增强，呼吸加深加快，肺通气量增大，摄取更多的O₂，排出更多的CO₂，以与代谢水平相适应。呼吸为什么能有节律地进行？呼吸的浓度和频率又如何能随内、外环境条件而改变？这些总是是本节的中心。

　　一、呼吸中枢与呼吸节律的形成

　　呼吸中枢是指中枢神经系统内产生和调节呼吸运动的神经细胞群。多年来，对于这些细胞群在中枢神经系统内的分布和呼吸节律产生和调节中的作用，曾用多种技术方法进行研究。如早期的较为粗糙的切除、横断、破坏、电刺激等方法，和后来发展起来的较为精细的微小电毁损、微小电刺激、可逆性冷冻或化学阻滞、选择性化学刺激或毁损、细胞外和细胞内微电极记录、逆行刺激（电刺激轴突，激起冲动逆行传导至胞体，在胞体记录)、神经元间电活动的相关分析以及组织化学等方法。有管些方法对动物呼吸中枢做了大量的实验性研究，获得了许多宝贵的资料，形成了一些假说或看法。

　　（一)呼吸中枢

　　呼吸中枢分布在大脑皮层、间脑、脑桥、延髓和脊髓等部位。脑的各级部位在呼吸节律产生和调节中所起作用不同。正常呼吸运动是在各级呼吸中枢的相互配合下进行的。

　　1．脊髓 脊髓中支配呼吸肌的运动神经元位于第3-5颈段（支配膈肌)和胸段（支配肌间肌和腹肌等)前角。很早就知道在延髓和脊髓间横断脊髓，呼吸就停止。所以，可以认为节律性呼吸运动不是在脊髓产生的。脊髓只是联系上（高)位脑和呼吸肌的中继站和整合某些呼吸反射的初级中枢。

　　2．下（低)位脑干 下（低)位脑干指脑桥和延髓。横切脑干的实验表明，呼吸节律产生于下位脑干，呼吸运动的变化因脑干横断的平面高低而异（图5-17)。

图5-17脑干呼吸有关核团（左)和在不同平面横切脑干后呼吸的变化（右)示意图

DRG：背侧呼吸组 VRH：腹侧呼吸组 NPBM：臂旁内侧核

A、B、C、D为不同平面横切

　　在动物中脑和脑桥之间进行横切（图5-17，A平面)，呼吸无明显变化。在延髓和脊髓之间横切（D平面)，呼吸停止。上述结果表明呼吸节律产生于下位禽干，上位脑对节律性呼吸不是必需的。如果在脑桥上、中部之间横切（B平面)，呼吸将变慢变深，如再切断双侧迷走神经，吸气便大大延长，仅偶尔为短暂的呼气所中断，这种形式的呼吸称为长吸呼吸。这一结果是提示脑桥上部有抑制吸气的中枢结构，称为呼吸整中枢；来自肺部的迷走传入冲动也有抑制吸气的作用，当延髓失去来自这两方面对吸气活动的抑制作用后，吸气活动不能及时中断，便出现长吸呼吸。再在脑桥和延髓之间横切（C平面)，不论迷走神经是否完整，长吸式呼吸都消失，而呈喘息样呼吸，呼吸不规则，或平静呼吸，或两者交替出现。因而认为脑桥中下中有活化吸气的长吸中枢；单独的延髓即可产生节律呼吸。孤立延髓的实验进一步证明延髓可独立地产生节律呼吸。于是在20-50年代期间形成了三级呼吸中枢理论；脑桥上部有呼吸调整中枢，中下部有长吸中枢，延髓有呼吸节律基本中枢。后来的研究肯定了早期关于延髓有呼吸节律基本中枢和脑桥上部有呼吸调整中枢的结论，但未能证实脑桥中下部存在着结构上特定的长吸中枢。

　　近年来，用微电极等新技术研究发现，在中枢神经系统内有的神经元呈节律性放电，并和呼吸周期相关，这些神经元被称为呼吸相关神经元或呼吸神经元。这些呼吸神经元有不同类型。就其自发放电的时间而言，在吸气相放电的为吸气神经元，在呼气相放电的为呼气神经元，在吸气相放电并延续至呼气相的为吸气-呼气神经元，在呼气相放电并延续到吸气相者，为呼气-吸气神经元，后两类神经元均系跨时相神经元。

　　在延髓，呼吸神经元内主要集中在背侧（孤束核的腹外侧部)和腹侧（疑核、后疑核和面神经后核附近的包氏复合体)两组神经核团内，分别称为背侧呼吸组（dorsal respiratory group,DRG)和腹侧呼吸组（ventralrespiratory group,VRG)（图5-17)。背侧呼吸组的神经元轴突主要交叉到对侧，下行至脊髓颈段，支配膈运动神经元。疑核呼吸神经元的轴突由同侧舌咽神经和迷走神经传出，支配咽喉部呼吸辅助肌。后疑核的呼吸神经元绝大部分交叉到对侧下行，支配脊髓肌间内、外肌和腹肌的运动神经元，商品化纤维也发出侧支支配膈肌的运动神经元。包氏复合体主要含呼气神经元，它们的轴突主要与背侧呼吸组的吸气神经元形成抑制性联系，此外也有轴突支配脊髓的膈运动神经元。

　　由于延髓呼吸神经元主要集中在背侧呼吸组和腹侧呼吸组，所以曾推测背侧呼吸组和腹侧呼吸组是产生基本呼吸节律的部位。可是，后来的某些实验结果不支持这一看法。有人用化学的或电解的毁损这些区域后，呼吸节律没有明显变化，这些结果提示背侧呼吸组和腹侧呼吸组可能不是呼吸节律唯一发源地，呼吸节律可能源于多个部位，产生呼吸节律的神经结构相当广泛，所以不容易因局灶损害而丧失呼吸节律。

　　在脑桥上 部，呼吸神经元相对集中于臂旁内侧核和相邻的Kolliker-Fuse（KF)核，合称PBKF核群。PBKF和延髓的呼吸神经核团之间有双向联系，形成调控呼吸的神经元回路。在麻醉猫，切断双侧迷走神经，损毁PBKF可出现长吸，提示早先研究即已发现的呼吸调整中枢乃位于脑桥的BPKF，其作用为限制吸气，促使吸气向呼气转换。

　　3．上位脑 呼吸还受脑桥以上部位的影响，如大脑皮层、边缘系统、下丘脑等。

　　大脑皮层可以随意控制呼吸，发动说、唱等动作，在一定限度内可以随意屏气或加强加快呼吸。大脑皮层对呼吸的调节系统是随意呼吸调节系统，下位脑干的呼吸调节系统是自主节律呼吸调节系统。这两个系统的下行通路是分开的。临床上有时可以观察到自主呼吸和随意呼吸分离的现象。例如在脊髓前外侧索下行的处主呼吸通路受损后，自主节律呼吸甚至停止，但病人仍可进行随意呼吸。患者靠随意呼吸或人工呼吸来维持肺通气，如未进行人工呼吸，一旦病人入睡，可能发生呼吸停止。

　　（二)呼吸节律形成的假说

　　呼吸节律是怎样产生的，尚未完全阐明，已提出多种假说，当前最为流行的是局部神经元回路反馈控制假说。

　　中枢神经系统里有许多神经元没有长突起向远处投射，只有短突起在某一部位内形成局部神经元回路联系。回路内可经正反馈联系募集更多神经元兴奋，以延长兴奋时间或加强兴奋活动；也可以负反馈联系，以限制其活动时间或终止其活动。平静呼吸时，由于吸气是主动的，所以许多学者更多地是去研究吸气中如何发生的，又如何转变为呼气的。有人提出中枢吸气活动发生器和吸气切断机制（inspiratory off-switch mechanism)的看法，认为在延髓有一个中枢吸气活动发生器，引发吸气神经元呈斜坡样渐增性放电，产生吸气；还有一个吸气切断机制，使吸气切断而发生呼气。在中枢吸气活动发生器作用下，吸气神经元兴奋，其兴奋传至①脊髓吸气肌运动神经元，引起吸气，肺扩张；②脑桥臂旁内侧核，加强其活动；③吸气切断机制，使之兴奋。吸气切断机制接受来自吸气神经元，脑桥背旁内侧核，和肺牵张感觉器的冲动。随着吸气相的进行，来自这三方面的冲动均逐渐增强，在吸气切断机制总合达到阈值时，吸气切断机制兴奋，发出冲动到中枢吸气活动发生器或吸气神经元，以负反馈形式终止其活动，吸气停止，转为呼气（图5-18)。切断迷走神经或毁损脑桥臂旁内侧核或两者，吸气切断机制达到阈值所需时间延长，吸气因面延长，呼吸变慢。因此，凡可影响中枢吸气活动发生器、吸气切断机制阈值或达到阈值所需时间的因素，都可影响呼吸过程和节律。

　　关于呼气如何转入吸气，呼吸加强时呼气又如何成为主动的，目前了解料少。

图5-18 呼吸节律形成机制简化模式图

+：表示兴奋 -：表示抑制

　　二、呼吸的反射性调节

　　呼吸节律虽然产生于脑，但其活动可受来自呼吸器官本身以及骨骼肌、其它器官系统感觉器‘传入冲动的反射性调节，下述其中的一些重要反射

　　（一)肺牵张反射

　　1868年Breuer和Hering发现，在麻醉动物肺充气或肺扩张，则抑制吸气；肺放气或肺缩小，则引起吸气。切断迷走神经，上述反应消失，所以是反射性反应。由肺扩张或肺缩小引起的吸气抑制或兴奋的反射为黑-伯反射（Hering-Breuer reflex)或肺牵张反射。它有两种成分：肺扩张反射和肺缩小反射。

　　1．肺扩张反射 是肺充气或扩张时抑制吸气的反射。感觉器位于从气管到细支气管的平滑肌中，是牵张感受器，阈值低，适应慢。当肺扩张牵拉呼吸道，使之也扩张时，感觉器兴奋，冲动经迷走神经走神经粗纤维传入延髓。在延髓内通过一定的神经联系使吸气切断机制兴奋，切断吸气，转入呼气。这样便加速了吸气和呼气的交替，使呼吸频率增加。所以切断迷走神经后，吸气延长、加深，呼吸变得深而慢。

　　有人比较了8种动物的肺扩张反射，发现有种属差异，兔的最强，人的最弱。在人体，当潮气量增加至800ml以上时，才能引起肺扩张反射，可能是由于人体肺扩张反射的中枢阈值较高所致。所以，平静呼吸时，肺扩张反射不参与人的呼吸调节。但在初生婴儿，存在这一反射，大约在出生4-5天后，反射就显著减弱。病理情况下，肺顺应性降低，肺扩张时使气道扩张较大，刺激较强，可以引起该反射，使呼吸变浅变快。

　　2．肺缩小反射 是肺缩小时引起吸气的反射。感受器同样位于气道平滑肌内，但其性质尚不十分清楚。肺缩小反向在较强的缩肺时才出现，它在平静呼吸调节中意义不大，但对阻止呼气过深和肺不张等可能起一定作用。

　　（二)呼吸肌本体感受性反射

　　肌梭和腱器官是骨骼肌的本体感受器，它们所引起的反射为本体感受性反射。如肌梭受到牵张刺激时可以反射性地引起受刺激肌梭所在肌的收缩，为牵张反射，属本体感受性反射（参见第十章第四节)。呼吸肌也有牵张反射的主要依据是：在麻醉猫，切断双侧迷走神经，颈7横断脊髓，牵拉膈肌，膈肌肌电活动啬；切断动物的胸脊神经背根，呼吸运动减弱；人类为治病需要曾做类似手术，术后相应呼吸肌的活动发生可恢复的或可部分恢复的减弱。说明呼吸肌本体感受性反射参与正常呼吸运动的调节，在呼吸肌负荷改变时将发挥更大的作用。但是，这些依据不是无懈可击的。因为背根切断术不仅切断了本本感受器的传入纤维，也切断了所有经背根传入的其它感受器的传入纤维。近来的研究表明来自呼吸肌其它感受器的传入冲动也可反射性地影响呼吸。因此，对呼吸肌本体感受性反射应做更深更深入细致的研究，如研究分别兴奋不同感受器或传入纤维时对呼吸的效应。

　　（三)防御性呼吸反射

　　在整个呼吸道都存在着感受器，它们是分布在粘膜上皮的迷走传入神经末梢，受到机械或化学刺激时，引起防御性呼吸反射，以清除激惹物，避免其进入肺泡。

　　1．咳嗽反射 是常见的重要防御反射。它的感受器位于喉、气管和支气管的粘膜。大支气管以上部位的感受器对机械刺激敏感，二级支气管以下部位的对化学刺激敏感。传入冲动经迷走神经传入延髓，触发一系列协调的反射反应，引起咳嗽反射。

　　咳嗽时，先是短促或深吸气，接着声门紧闭，呼气肌强烈收缩，肺内压和胸膜腔内压急速上升，然后声门突然打开，由于气压差极大，气体更以极高的速度从肺内冲出，将呼吸道内异物或分泌物排出。剧烈咳嗽时，因胸膜腔内压显著升高，可阻碍静脉因流，使静脉压和脑脊液压升高。

　　2．喷嚏反射 是和咳嗽类似的反射，不同的是：刺激作用于鼻粘膜感受器，传入神经是三叉神经，反射效应是腭垂下降，舌压向软腭，而不是声门关闭，呼出气主要从鼻腔喷出，以清除鼻腔中的刺激物。

　　（四)肺毛细血管旁（J-)感受器引起的呼吸反射

　　J-感受器位于肺泡毛细血管旁，在肺毛细血管充血、肺泡壁间质积液时受到刺激，冲动经迷走神经无髓C纤维传入延髓，引起反射性呼吸暂停，继以浅快呼吸，血压降低，心率减慢。J-感受器在呼吸调节中的作用尚不清楚，可能与运动时呼吸加快作肺充血、肺水肿时的急促呼吸有关。

　　（五)某些穴位刺激的呼吸效应

　　针刺人中窕可以急救全麻手术过程中出现的呼吸停止。针刺动物人中可以使膈肌呼吸运动增强，电刺激家兔人中对膈神经和管髓呼吸神经元电活动有特异性影响。有人观察到在麻醉意外事件发生呼吸暂停时，刺激素可以兴奋呼吸。穴位的呼吸效应及其机制值得探讨。

　　（六)血压对呼吸的影响

　　血压大幅度变化时可以反射性地影响呼吸，血压升高，呼吸减弱减慢；血压降低，呼吸加强加快。

　　三、化学因素对呼吸的调节

　　化学因素对呼吸的调节也是一种呼吸的反射性调节，化学因素是指动脉血或脑脊液中的O₂、CO₂和H⁺。机体通过呼吸调节血液中的O₂、CO₂和H⁺的水平，动脉血中O₂、CO₂和H⁺水平的变化又通过化学感受器调节着呼吸，如此形成的控制环维持着内环境这些因素的相对稳定。

　　（一)化学感受器

　　化学感觉器是拂晓春适宜刺激化学物质的感受器。参与呼吸调节的化学感受器因其所在部位的不同，分为外周化学感受器和中枢化学感受器。

　　1．外周化学感受器 颈动脉体和主动脉体是调节呼吸和循环的重要外周化学感受器。在动脉血PO₂降低、PCO₂或H⁺浓度（[H⁺])升主时受到刺激，冲动经窦神经和迷走神经传入延髓，反射性地引起呼吸加深加快和血液循环的变化。虽然颈、主动脉体两者都参与呼吸和循环的调节，但是颈动脉体主要调节呼吸，而主动脉体在循环调节方面较为重要。由于颈动脉体的有利的解剖位置，所以，对外周化学感受器的研究主要集中在颈动脉体。

　　颈动脉体含Ⅰ型细胞（球细胞)和Ⅱ型细胞（鞘细胞)，它们周围包绕以毛细血管窦。血液供应十分丰富。Ⅰ型细胞呈球形，有大量囊泡，内含递质，如乙酰胆碱、儿茶酚胺、某些神经活性肽等。Ⅱ型细胞数量较少，没有囊泡。Ⅱ型细胞包绕着Ⅰ型细胞、神经纤维和神经末梢，功能上类似神经胶质细胞，与颈动脉体其它成分之间没有特化的接触。窦神经的传入纤维末梢分支穿插于Ⅰ、Ⅱ型细胞之间，与Ⅰ型细胞形成特化接触，包括单向突触、交互突触、缝隙边接等（图5-19)，传入神经末梢可以是突触前和（或)突触后成分。交互突触构成Ⅰ型细胞与传入神经之间的一种反馈环路，借释放递质调节化学感受器的敏感性。此外，颈动脉体还有传出神经支配，借调节血流和化学感受器以改变化学感受器的活动。

　　用游离的颈动脉体，记录其传入神经单纤维的动作，观察改变灌流液成分时动作频率的变化，可以了解颈动脉体所感受的刺激的性质以及刺激与反应之间的关系。结果发现当灌流液PO₂下降，PCO₂或[H⁺]升高时，传入冲动增加。如果保持灌流血液的PO₂正常的13.3kPa(100mlHg)，仅减少血流量，传入冲动也增加。困为血流量下降时，颈动脉体从单位血液中摄取的O₂量相对增加，细胞外液 PO₂因供O₂少于耗 O₂而下降。但在贫血或CO中毒时，血 O₂含量虽然下降，但PO₂正常，只需血流量充分，化学感受器传入冲动并不增加，所以化学感受器所感受的刺激是PO₂，而不是动脉血O₂含量，而且是感受器所处环境的PO₂。从实验中还可看出上述三种刺激对化学感受器有相互增强的作用。两种刺激同进作用时比单一刺激的效应强。这种协同作用有重要意义，因为机体发生循环或呼吸衰竭时，总是PCO₂升高和PO₂降低同进存在，它们的协同作用加强了对化学感受器的刺激，从而促进了代偿性呼吸增强的反应。

图5-19 颈动脉体组织结构示意图
图中未显示Ⅱ细胞

　　目前认为，Ⅰ型细胞起着化学感受器的作用。当它们受到刺激时，细胞浆内[Ca²⁺]升高。触发递质释放，引起传入神经纤维兴奋。PO₂降低与 PCO₂或[H⁺]升高引起细胞内[Ca²⁺]升高机制不同。PO₂降低可抑制细胞 K⁺通道的开放，K⁺外流减少，细胞膜去极化，从而促使电压依从性Ca²⁺通道开放，Ca²⁺进入细胞。而PCO₂或[H⁺]升高时，进入细胞内的H⁺增多，激活了细胞的Na⁺-H⁺交换机制，Na⁺进入细胞，使细胞内[Na⁺]长高，继而使细胞的Na⁺-Ca²⁺交换机制活动啬，Na⁺出细胞，Ca²⁺进细胞内，引起细胞浆内[Ca²⁺]升高。还有资料表明，少部分胞浆内Ca²⁺可能来自细胞内的Ca²⁺贮器。

　　2．中枢化学感受器 摘除动物外周化学感受器或切断其传入神经后，吸入CO₂仍能加强通气。改变脑脊液CO₂和H⁺浓度也能刺激呼吸。过去认为这是CO₂直接刺激呼吸中枢所致年代以来，用改变脑表面灌流液成分和pH、局部冷阻断、电凝固损伤、电刺激、记录神经元电活动、离体脑组织块的电生理研究等方法在多种动物做了大量实验，结果表明在延髓有一个不同于呼吸中枢，但可影响呼吸的化学感受器，称为中枢化学感受器，以另于外周化学感受器。

　　中枢化学感受器 位于延髓腹外侧浅表部位，左右对称，可以分为头、中、尾三个区（图5-20A)。头端和尾端区都有化学感受性，中间区不具有化学感受性，不过，局部阻滞或损伤中间区后，可以使动物通气量降低，并使头端、尾端区受刺激时的通气反应消失，提示中间区可能是端区和尾 端区传入冲动向脑干呼吸中枢投射的中继站。应用胆碱能激动剂和拮抗剂的研究结果表明，在中枢化学感受器传递环节中可能有胆碱能机制参与。

图5-20 中枢化学感受器

A示延髓腹外侧的三个化学敏感区 B示血液或

脑脊液PCO₂升高时，刺激呼吸的中枢机制

　　中枢化学感受器的生理刺激是脑脊液和局部细胞外液的H⁺。因为如果保持人工脑脊液的pH不变，用含高浓度CO₂的人工脑脊液灌流脑室时所引起的通气增强反应消失，可见有效刺激不是CO₂本身，而是CO₂所引起的[H⁺]的增加。在体内，血液中的CO₂能迅速通过血脑屏障，使化学感受器周围液体中的[H⁺]升高，从而刺激中枢化学感受器，再引起呼吸中枢的兴奋（图5-20B)。可是，脑脊液中碳酸酶含量很少，CO₂与水的水合反应很慢，所以对CO₂的反应有一定的时间延迟。血液中的H⁺不易以通过血液屏障，故血液pH的变化对中枢化学感受器的直接作用不大，也较缓慢。

　　中枢化学感受器与外周化学感受器不同，它不感受缺O₂的刺激，但对CO₂的敏感性比外周的主，反应潜伏期较长。中枢化学感受器的作用可能是调节脑脊液的[H⁺]，使中枢神经系统有一稳定的pH环境，而外周化学感受器的作用主要是在机体低O₂时，维持对呼吸的驱动。

　　（二)CO₂、H⁺和O₂对呼吸的影响

　　1．CO₂的影响很早已经知道，在麻醉动物或人，动脉血液PCO₂降得很低时可发生呼吸暂停。因此，一定水平的PCO₂对维持呼吸和呼吸中枢的兴奋性是必要的，CO₂是调节呼吸的最重要的生理性体液因子。

　　吸入含CO₂的混合气，将使肺泡气PCO₂长高，动脉血PCO₂也随之升高，呼吸加深加快，肺通气量增加（图5-21)。通过肺通气量的增大可能增加CO₂的清除，肺泡气和动脉血PCO₂还可维持于接近正常水平。但是，当吸入气CO₂陡升，CO₂堆积，压抑中枢神经系统的活动，包括呼吸中枢，发生呼吸困难、头痛、头昏，甚至昏迷，出现CO₂麻醉。对CO₂的反应，有个体差异，还受许多因素影响，如疾病或药物。总之CO₂在呼吸调节中是经常起作用的最重要的化学刺激，在一定范围内动脉血PCO₂的升高，可以加强对呼吸的刺激作用，但超过一定限度则有压抑和麻醉效应。

　　CO₂刺激呼吸是通过两条途径实现的，一是通过刺激中枢化学感受器再兴奋呼吸中枢：二是刺激外周化学感受器，冲动窦神经和迷走神经传入延髓呼吸有关疑团，反射性地使呼吸加深、加快，增加肺通气。但两条途径中前者是主要的。因为去掉外周化学感受器的作用之后，CO₂的通气反应仅下降约20%，可见中枢化学感受器在CO₂通气反应中起主要作用；动脉血PCO₂只需升高 0.266kPa(2mmHg)就可刺激中枢化学感受器，出现通气加强反应，如刺激外周化学感受器，则需升高1.33kPa(10mmHg)。不过，在下述情况下，外周化学感受器的作用可能是重要的：因为中枢化学感受器的反应慢，所以当动脉血PCO₂突然大增时，外周化学感受器在引起快速呼吸反应中可起重要作用；当中枢化学感受器到抑制，对CO₂ 的反应降低时，外周化学感受器就起重要作用。

　　2．H⁺的影响动脉血[H⁺]增加，呼吸加深加快，肺通气增加；[H⁺]降低，呼吸受到抑制（图5-21)。H⁺对呼吸的调节也是通过外周化学感受器和中枢化学感受器实现的。中枢化学感受器对H⁺的敏感性较外周的高，约为外周的25倍。但是，H⁺通过血液屏障的速度慢，限制了它对中枢化学感受器的作用。脑脊液中的H⁺才是中枢化学感受器的最有效的刺激。

图5-21 动脉血液PCO₂、PO₂、pH改变对肺泡通气

的影响仅改变一种体液因素而保持另二因素于

正常水平时的情况（1mmHg=0.133kPa)

　　3．O₂的影响吸入气PO₂降低时，肺泡气PO₂都随之降低，呼吸加深、加快，肺通气增加（图5-21)。同CO₂一样，对低O₂的反应也有个体差异。一般在动脉PO₂下降到10.64kPa(80mmHg)以下时，肺通气才出现可觉察到的增加，可见动脉血PO₂对正常呼吸的调节作用不大，仅在特殊情况下低O₂刺激才有重要意义。如严重肺气肿、肺心病患者，肺换气受到障碍，导致低O₂和CO₂潴留。长时间CO₂潴留使中枢化学感受器对CO₂的刺激作用发生适应，而外周化学感受器对低O₂刺激适应很慢，这时低O₂对外周化学感受器的刺激成为驱动呼吸的主要刺激。

　　低O₂对呼吸的刺激作用完全是通过外周化学感受器实现的。切断动物外周化学感受器的传入神经或摘除人的颈动脉体，急性低O₂的呼吸刺激反应完全消失。低O₂对中枢的直接作用是压抑作用。但是低O₂可以通过对外周化学感受器的刺激而兴奋呼吸中枢，这样在一定程度上可以对抗低O₂对中枢的直接压抑作用。不过在严重低O₂时，外周化学感受性反射已不足以克服低O₂对中枢的压抑作用，终将导致呼吸障碍。在低O₂时吸入纯O₂，由于解除了外周化学感受器的低O₂刺激，会引起呼吸暂停，临床上给O₂治疗时应予以注意。

　　（三)PCO₂、H⁺和PO₂在影响呼吸中的相互作用

　　图5-21示保持其它两个因素不变而只改变其中一个因素时的单因素通气效应。可以看出PO₂下降对呼吸的影响较慢、较弱，在一般动脉血PO₂变化范围内作用不大，要在PO₂低于10.64kPa(80mmHg)后，通气量才逐渐增大。PCO₂和H⁺与低O₂不同，只要略有升高，通气就明显增大，PCO₂的作用尤为突出。

图5-22 动脉血液PCO₂升高、PCO₂降低、pH降低对肺泡通气率的影响

（1mmHg=0.133kpa)

　　但实际情况不可能是单因素的改变，而其它因素不变。往往是一种因素的改变会引起其余一、两种因素相继改变或存在几种因素的同时改变，三者间相互影响、相互作用，既可因相互总和而加大，也可因相互抵消而减弱。图5-22为一种因素改变，另两种因素不加控制时的情况。可以看出：PCO₂升高时，[H⁺]也随之升高，两者的作用总和起来，使肺通气较单独PCO₂升高时为大。[H⁺]增加时，因肺通气增大使CO₂排出，PCO₂下降，抵消了一部分H⁺的刺激作用；CO₂含量的下降，也使[H⁺]有所降低。两者均使肺通气的增加较单独[H⁺]升高时为小。PO₂下降时，也因肺通气量增加，呼出较多的CO₂，使PCO₂和[H⁺]下降，从而减弱了低O₂的刺激作用。

　　四、周期性呼吸

　　周期性呼吸是异常呼吸型之一，表现为呼吸加强加快与减弱减慢交替出现。最常见的有陈-施呼吸和比奥（Biot)呼吸。

　　（一)陈-施呼吸（潮式呼吸)

　　陈-施呼吸（Cheyne-Stokesrespiration)的特点是呼吸逐渐增强增快又逐渐减弱减慢与呼吸暂停交替出现，每个周期约45s到3min。

　　当前认为陈-施呼吸产生的基本机制是因为某种原因呼吸受到刺激，肺通气量增加，呼出过多的CO₂,肺泡气PCO₂下降，肺部血液PCO₂也下降，片刻之后，这种低PCO₂血液到达脑部，呼吸因缺少CO₂的刺激而开始受到抑制，变慢变浅甚至停止。呼吸的抑制又使肺部血液PCO₂升高，PCO₂升高了的血液随后到达脑，又开始刺激呼吸，呼吸又复变快变深，再次使PCO₂下降，呼吸再受抑制。上述过程周而复始，周期性进行，产陈-施呼吸（图5-23)。陈-施呼吸主要出现于二种情况下：①肺-脑循环时延长（如心力衰竭)，此时脑PCO₂将升高，增强了对呼吸的刺激，触了陈-施呼吸；②呼吸中枢反馈增益增加。反馈增益是指一定程度的PCO₂或pH变化所引起的通气变化，通气变化大，则增益大。低O₂或某种脑干损伤可出现增益增大，导致陈-施呼吸。

　　（二)Biot呼吸

　　其特点是一次或多次强呼吸后，继以长时间呼吸停止，之后又出现第二次这样的呼吸（图5-23)。周期持续时间变化较大，短的仅10s，长的可达1min。Biot呼吸见于脑损伤、脑脊液的压力升高、脑膜炎等疾病时，常是死亡前出现的危急症状。发生的原因尚不清楚，可能是疾病已侵及延髓，损害了呼吸中枢。

图5-23 异常呼吸型式示意图

　　五、运动时呼吸的变化及调节

　　运动时机体代谢增高，血液循环和呼吸系统都将发生一系列变化以适应增高了的机体代谢的需要。这时，呼吸加深加快，肺通气量增大，其增加的程度随运动量而异。潮气量可双安静时的500ml升到2000ml，呼吸频率可从12-18次/min升至50次/min，每分通气量可升达100L以上，O₂的摄入量和CO₂排出量也都相应增加。

　　运动时肺通气量的增加有一个过程。运动之始，通气量骤升，继之以缓慢的升高，随后达一稳态水平。运动停止时，也是通气量先骤降，继以缓慢下降，然后恢复到运动前的水平（图5-24)。

图5-24 运动时的肺通气量变化

　　运动时呼吸的变化是大家都很熟悉的生理现象，但其变化机制却至今仍未阐明，不过与其它生理活动一样，也是在神经和体液机制调节下发生的。

　　一般认为运动开始时通气骤升也条件反射有关，是在运动锻炼过程中形成的。因为只是给予运动暗示，并未开始运动，也可出现通气量增大的反应，而且与运动者过去的经验、精神状态、实验条件等有关。此外，运动时，运动肌肉、关节的本体感受器受到刺激，其传入冲动也可以反射性地刺激呼吸。因为，仅被动运动肢体，就可引起快速通气反应，阴断活动肢体的传入神经，反应消失；脊髓胸12水平截瘫病人，被动运动膝关节，不能产生快速通气反应。近年来神经组化研究表明，在延髓孤束周围有较稠密的肌传入末梢，这可能是运动肢体引起运动初期快速通气反应的解剖学基础。

　　运动时动脉血pH、PCO₂PO₂的波动的作用。中度运动时，虽然动脉血pH、PCO₂PO₂的均值保持相对的稳定，但它们却都能随呼吸厕于周期性波动，波动的幅度随运动强度而变化，运动强，波动幅度大；运动弱，波动幅度小。运动时，这种波动幅度的增大，可能在运动通气反应中起重要作用。动物实验中，设法在不影响血液气体平均分压的同时，缓冲上述周期性波动，动物通气量下降。记录猫颈动脉窦神经化学感受器传入冲动，发现其频率与呼吸周期同步消、涨。体液因素的这种作用是通过化学感受器实现的。

　　运动停止后，通气未立即恢复到安静水平。这是因为运动时，O₂供小于O₂耗，欠下了“O₂债”。所以运动停止后，一段时间内，O₂耗仍大于安静时的，以偿还O₂债，待偿还后，通气才恢复。这时维持通气增强的刺激主要是H⁺。