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（气体扩散）。

气体交换的基本原理

气体扩散

• 气体的分压差：（ΔP）
  • 气体扩散的动力
  • 是指两个区域之间某气体分压的差值，它是气体扩散的动力和决定气体扩散方向的关键因素。
• 气体的分子量和溶解度：
  • 扩散系数：气体分子的溶解度与分子量的平方根之比（$S/\sqrt{MW}$）
    • 气体扩散速率与气体分子量（$MW$）的平方根成反比
    • 气体扩散速率与气体分子溶解度（$S$）成正比
  • CO₂ 的扩散系数约为 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。
• 温度
• 扩散面积和距离

呼吸气体和人体不同部位气体的分压

• 呼吸气和肺泡气的成分和分压：空气中各气体的容积百分比一般不变，但是总分压跟因总大气压的变动而改变
• 血液气体和组织气体的分压：
  • PO₂：动脉血（97–100 mmHg）> 混合静脉血（40 mmHg）> 组织（30 mmHg）
  • PCO₂：动脉血（40 mmHg）< 混合静脉血（46 mmHg）< 组织（50 mmHg）

不是所有流经微循环的血液都会进行物质交换，故混合静脉血的 PO₂ 略高于组织，而 PCO₂ 略低于组织。

肺换气

肺换气指的是肺泡与血液进行气体交换。O₂ 和 CO₂ 在血液和肺泡之间的扩散都极为迅速，不到 0.3 秒即可达到平衡，而通常血液流经肺毛细血管的时间约为 0.7 秒，所以当血液流经肺毛细血管全长约 1/3 时，肺换气过程已经基本完成。

1. 呼吸膜的厚度：气体扩散速率与呼吸膜厚度成反比
   • 6 层结构组成：含肺表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜层、上皮基底膜和毛细血管基膜之间的间隙（间质层）、毛细血管基膜层、毛细血管内皮细胞层
   • 任何使得呼吸膜增厚或扩散距离增加的疾病（肺纤维化、肺水肿等）都会降低气体扩散速率
   • 在运动时，由于血流加速缩短了气体在肺部的交换时间，此时呼吸膜的厚度或扩散距离对肺换气的影响就更为突出
2. 呼吸膜的面积：气体扩散速率与扩散面积成正比
   • 扩散面积增加：劳动或运动时，肺毛细血管开放数量和开放程度增加，有效扩散面积增加
   • 扩散面积减小：肺不张、肺实变、肺气肿、肺叶切除或肺毛细血管关闭和阻塞等，
3. 通气/血流比值（$\dot{V}_A/\dot{Q}$）：指每分钟肺泡通气量（$\dot{V}_A$）和每分钟肺血流量（$\dot{Q}$）的比值。
   • 正常成年人安静时，$\dot{V}_A/\dot{Q}$ 约为 4.2/5 = 0.84。肺尖部可高达 3.3，肺底部可低至 0.63。
   • $\dot{V}_A/\dot{Q}$ 异常：
     • 比值增大：意味着通气过度或血流相对不足，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。
     • 比值减小：意味着通气不足或血流相对过多，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。
   • 无论比值增大或减小，都会导致气体交换效率降低，导致机体缺 O₂（主要）或 CO₂ 潴留。 主要表现为缺 O₂ 的原因：
     1. 动、静脉血液之间 PO₂ 差远大于 PCO₂ 差，所以当发生动-静脉短路时，动脉血 PO₂ 下降的程度大于 PCO₂ 升高的程度。
     2. CO₂ 的扩散系数约为 O₂ 的 20 倍，所以 CO₂ 扩散比 O₂ 快，不易潴留。
     3. 动脉血 PO₂ 下降和 PCO₂ 升高时，可刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于 CO₂ 的排出，但由于氧解离曲线上段平坦，增加 P₂ 不能使血氧含量明显增加，所以几乎无助于 O₂ 的摄取。

组织换气

由于细胞的有氧代谢，O2 被利用，并产生 CO2，所以 PO2 可低至 30mmHg 以下，而 PCO2 可高达 50mmHg 以上。