Sau khi các phế nang được thông khí bởi không khí trong lành, bước tiếp theo trong quá trình hô hấp là sự khuếch tán của oxygen (O2) từ các phế nang vào trong máu phổi và sự khuếch tán của carbon dioxide (CO2) theo hướng ngược lại, ra khỏi máu vào trong các phế nang. Quá trình khuếch tán thì đơn giản là sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử theo mọi hướng qua màng hô hấp và các dịch lân cận. Tuy nhiên, trong sinh lý hô hấp, chúng ta không chỉ quan tâm đến cơ chế cơ bản mà sự khuếch tán xảy ra mà còn đến mức độ mà nó xảy ra, mà sẽ là vấn đề phức tạp hơn rất nhiều, cần một sự hiểu sâu hơn về vật lý của sự khuếch tán và sự trao đổi khí.
Vật lý của sự khuếch tán khí và các áp suất khí riêng phần
Cơ sở phân tử của sự khuếch tán khí
Tất cả các khí mà được quan tâm đến trong sinh lý hô hấp là các phân tử đơn giản mà tự do di chuyển so với nhau bởi sự khuếch tán. Điều này cũng đúng đối với các khí hòa tan trong các dịch và các mô của cơ thể.
Để sự khuếch tán xảy ra, phải có một nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng này được cung cấp bởi chuyển động của các phân tử. Ngoại trừ ở nhiệt độ không tuyệt đối, tất cả các phân tử của tất cả các chất thì liên tục chuyển động. Đối với các phân tử tự do mà không liên kết vật lý với các phân tử khác, điều này có nghĩa là chuyển động thẳng ở vận tốc rất cao cho đến khi chúng va chạm với các phân tử khác. Chúng sau đó dội đi theo các hướng khác và tiếp tục di chuyển cho đến khi chúng va chạm với các phân tử khác một lần nữa. Theo cách này, các phân tử di chuyển một cách nhanh chóng và ngẫu nhiên giữa các phân tử khác.
Sự khuếch tán toàn phần của một khí theo một hướng – tác động của một gradient nồng độ. Nếu như một buồng khí hay dung dịch có một nồng độ cao của một khí nhất định ở một đầu của buồng và một nồng độ thấp ở đầu còn lại, như được thể hiện trong Hình 1, sự khuếch tán toàn phần của khí sẽ xảy ra từ khu vực nồng độ cao về phía khu vực nồng độ thấp. Nguyên nhân thì rất rõ ràng. Có nhiều phân tử hơn nhiều ở đầu A của buồng khuếch tán về phía đầu B nhiều hơn so với các phân tử khuếch tán theo hướng ngược lại. Vì thế, các mức độ khuếch tán theo mỗi trong số hai hướng này thì khác nhau theo tỷ lệ, như được thể hiện bởi các chiều dài của các mũi tên trong hình.
Các áp suất khí trong một hỗn hợp khí – áp suất riêng phần của các khí riêng rẽ
Áp suất được gây ra bởi nhiều sự va chạm của các phân tử đang chuyển động lên trên một bề mặt. Vì thế, áp suất của một khí tác động lên trên các bề mặt của đường hô hấp và các phế nang thì tỷ lệ với lực tổng hợp tác động của tất cả các phân tử của khí đó va chạm với bề mặt ở bất cứ thời điểm cho trước nào. Điều này có nghĩa là áp suất thì lệ thuận với nồng độ của các phân tử khí.
Trong sinh lý hô hấp, nghiên cứu sẽ được thực hiện với các hỗn hợp của nhiều khí, chủ yếu là oxygen, nitrogen và carbon dioxide. Mức khuếch tán của mỗi trong số các khí này thì tỷ lệ thuận với áp suất được gây ra bởi chỉ riêng khí đó, mà được gọi là áp suất riêng phần (partial pressure) của khí đó. Khái niệm của áp suất riêng phần có thể được giải thích như sau.
Xem xét đến không khí, mà có một thành phần gần đúng là 79% nitrogen và 21% oxygen. Tổng áp suất của hỗn hợp này ở mực nước biển trung bình là 760 mm Hg. Rõ ràng là từ sự mô tả trước về nền tảng phân tử của áp suất mà mỗi khí đóng góp vào áp suất toàn phần thì tỷ lệ thuận với nồng độ của nó. Vì thế, 79% của 760 mm Hg được tạo ra bởi nitrogen (600 mm Hg) và 21% bởi O2 (160 mm Hg). Vì thế, áp suất riêng phần của nitrogen trong hỗn hợp là 600 mm Hg và áp suất riêng phần của O2 là 160 mm Hg; tổng áp suất là 760 mm Hg, tổng của các áp suất riêng phần. Các áp suất riêng phần của các khí riêng rẽ trong một hỗn hợp được ký hiệu bởi các ký hiệu PO2, PCO2, PN2 và vân vân.
Các áp suất của các khí hòa tan trong nước và các mô
Các khí hòa tan trong nước hay trong các dịch cơ thể cũng tạo ra áp suất bởi vì các phân tử khí hòa tan đang chuyển động một cách ngẫu nhiên và có động năng. Hơn thế nữa, khi khí hòa tan trong dung dịch gặp một bề mặt, như màng của một tế bào, nó tạo ra áp suất riêng phần của nó giống như cách một khí trong pha khí tạo ra áp suất. Các áp suất riêng phần của các khí hòa tan riêng rẽ được ký hiệu giống với các áp suất riêng phần trong trạng thái khí – nghĩa là, PO2, PCO2, PN2, PHe, và vân vân.
Các yếu tố mà xác định áp suất riêng phần của một khí hòa tan trong trong một dịch. Áp suất riêng phần của một khí trong một dung dịch được xác định không chỉ bởi nồng độ của nó trong một dung dịch mà còn bởi hệ số tan của khí. Nghĩa là, một số loại phân tử, đặc biệt là CO2, thì thu hút về mặt hóa học hay vật lý với các phân tử nước, ngược lại, các loại phân tử khác thì bị đẩy. Khi các phân tử được hút, nhiều hơn nhiều các phân tử này có thể được hòa tan mà không tích tụ áp suất riêng phần quá mức bên trong dung dịch. Ngược lại, trong trường hợp các phân tử bị đẩy, áp suất riêng phần cao sẽ phát triển với ít các phân tử hòa tan hơn. Các mối liên hệ này được biểu diễn bởi công thức sau đây, mà được gọi là định luật Henry:
Áp suất riêng phần = Nồng độ khí hòa tan/Hệ số tan
Khi áp suất riêng phần được biểu diễn ở đơn vị atmospheres (1 atmosphere [1 atm] áp suất bằng với 760 mm Hg) và nồng độ được biểu diễn bởi thể tích khí hòa tan trong mỗi thể tích nước, thì hệ số tan đối với các khí hô hấp quan trọng ở nhiệt độ cơ thể là như sau:
Từ danh sách này, chúng ta có thể thấy rằng CO2 thì tan nhiều hơn 20 lần so với O2. Vì thế, áp suất riêng phần của CO2 đối với một nồng độ cho trước thì ít hơn một phần hai mươi (5%) áp suất riêng phần được thực hiện bởi O2.
Sự khuếch tán của các khí giữa pha khí trong các phế nang và pha hòa tan trong máu phổi. Áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợp khí hô hấp phế nang có khuynh hướng đẩy các phân tử của khí đó vào trong dung dịch trong máu của các mao mạch phế nang. Ngược lại, các phân tử của cùng khí mà đã hòa tan trong máu đang dội một cách ngẫu nhiên trong dịch của máu và một số trong số các phân tử đang dội này thoát quay trở lại vào trong các phế nang. Mức độ mà ở đó chúng thoát thì tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của chúng trong máu.
Nhưng, sự khuếch tán toàn phần của khí sẽ xảy ra theo hướng nào? Câu trả lời là sự khuếch tán toàn phần được xác định bởi sự chênh lệch giữa hai áp suất riêng phần. Nếu như áp suất riêng phần thì lớn hơn trong pha khí trong các phế nang, như bình thường là đúng đối với oxygen thì nhiều phân tử hơn sẽ khuếch tán vào trong máu hơn là theo hướng ngược lại. Ngoài ra, nếu như áp suất riêng phần của khí lớn hơn trong trạng thái hòa tan trong máu, mà bình thường đúng đối với CO2, thì sự khuếch tán toàn phần sẽ xảy ra về phía pha khí trong các phế nang.
Áp suất hơi của nước
Khi không khí không ẩm được hít vào bên trong các đường hô hấp, nước ngay lập tức bốc hơi từ bề mặt của các đường này và làm ẩm không khí. Điều này là do các phân tử nước, giống như các phân tử khí hòa tan khác nhau, thì liên tục thoát khỏi bề mặt nước vào trong pha khí. Áp suất riêng phần mà các phân tử nước tạo ra để thoát qua bề mặt được gọi là áp suất hơi (vapor pressure) của nước. Ở nhiệt độ cơ thể bình thường, 37oC (98.6oF), thì áp suất hơi này là 47 mm Hg. Vì thế, một khi hỗn hợp khí trở nên ẩm tối đa – nghĩa là, một khi nó trong cân bằng với nước – áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp khí là 47 mm Hg. Áp suất riêng phần này, giống như các áp suất riêng phần khác, được ký hiệu là PH2O.
Áp suất hơi của nước phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ của nước. Nhiệt độ càng cao, hoạt động chuyển động của các phân tử các lớn và vì thế, tỷ lệ càng cao các phân tử nước sẽ thoát khỏi bề mặt của nước vào trong pha khí. Ví dụ, áp suất hơi nước ở 0oC là 5 mm Hg và ở 100oC, nó là 760 mm Hg. Giá trị quan trọng nhất cần nhớ là áp suất hơi ở nhiệt độ cơ thể 47 mm Hg. Giá trị này xuất hiện trong nhiều sự bàn luận tiếp theo.
Sự chênh lệch áp suất gây ra sự khuếch tán toàn phần của các khí qua các dịch
Từ sự bàn luận trước, rõ ràng là khi áp suất riêng phần của một khí lớn hơn trong một khu vực so với trong một khu vực khác, thì sẽ có một sự khuếch tán toàn phần từ khu vực áp suất cao đến khu vực áp suất thấp. Ví dụ, nhớ lại Hình 1, một điều dễ dàng có thể thấy được là các phân tử trong khu vực áp suất cao, do số lượng lớn hơn của chúng, có một khả năng lớn hơn di chuyển một cách ngẫu nhiên vào trong khu vực áp suất thấp hơn so với các phân tử cố gắng đi theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, một số phân tử dội một cách ngẫu nhiên từ vùng áp suất thấp về phía vùng áp suất cao. Vì thế, sự khuếch tán toàn phần của khí từ khu vực có áp suất cao đến khu vực có áp suất thấp thì bằng với số lượng các phân tử dội theo hướng về phía trước này trừ đi số lượng dội theo phía đối diện, mà sẽ tỷ lệ với sự chênh lệch áp suất riêng phần của khí giữa hai vùng, được gọi đơn giản là sự chênh lệch áp suất gây ra sự khuếch tán (pressure difference for causing diffusion).
Định lượng tốc độ khuếch tán toàn phần trong các dịch. Ngoài sự chênh lệch áp suất, một số yếu tố khác ảnh hướng đến tốc độ của sự khuếch tán khí trong một dịch: (1) tính tan của khí trong dịch; (2) thiết diện cắt ngang của dịch; (3) khoảng cách qua đó khí phải khuếch tán; (4) trọng lượng phân tử của khí; và (5) nhiệt độ của dịch. Trong cơ thể, nhiệt độ luôn hằng định một cách thích hợp và thường không cần được xem xét.
Tính tan của khí càng lớn thì số lượng phân tử có sẵn để khuếch tán đối với bất cứ sự chênh lệch áp suất riêng phần nào sẽ càng lớn. Diện tích mặt cắt ngang của con đường khuếch tán càng lớn thì tổng số phân tử khuếch tán càng lớn. Ngược lại, khoảng cách các phân tử phải khuếch tán càng lớn thì các phân tử sẽ khuếch tán trên toàn bộ khoảng cách càng lâu. Cuối cùng, vận tốc chuyển động càng lớn của các phân tử, mà tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của trọng lượng phân tử, thì tốc độ khuếch tán của khí càng lớn. Tất cả các yếu tố này có thể được biểu diễn bởi một công thức duy nhất, như sau:
Trong đó D là tốc độ khuếch tán, ΔP là chênh lệch áp suất riêng phần giữa hai đầu của con đường khuếch tán, A là diện tích mặt cắt ngang của con đường, S là độ tan của khí, d là khoảng cách khuếch tán và MW là trọng lượng phân tử của khí.
Rõ ràng là từ công thức này là các đặc điểm của khí xác định hai yếu tố của công thức – độ tan và trọng lượng phân tử. Cùng với nhau, hai yếu tố này xác định hệ số khuếch tán của khí (diffusion coefficient of the gas), mà tỷ lệ với S/(căn bậc hai của MW); nghĩa là, các tốc độ tương ứng mà ở đó các khí khác nhau ở cùng các mức áp suất riêng phần sẽ khuếch tán tỷ lệ với hệ số khuếch tán của chúng. Giả sử rằng hệ số khuếch tán đối với O2 là 1, thì các hệ số khuếch tán tương đối đối với các khí khác có tầm quan trọng trong hô hấp trong các dịch cơ thể là như sau:
Sự khuếch tán của các khí qua các mô
Các khí mà có tầm quan trọng trong hô hấp tất cả đều có độ tan cao trong lipids và kết quả là, có khả năng tan nhiều trong các màng tế bào. Do điều này, sự giới hạn chính đối với sự chuyển động của các khí trong các mô là mức độ mà ở đó các khí có thể khuếch tán qua nước của mô chứ không phải qua các màng tế bào. Vì thế, sự khuếch tán của các khí qua các mô, bao gồm cả qua màng hô hấp, thì hầu như bằng với sự khuếch tán của các khí trong nước, như được đưa ra trong danh sách trước.
Các bạn có thể xem bài viết mới trên Facebook tại đây: https://www.facebook.com/profile.php?id=61550892771585
Các bạn có thể xem bài viết trước tại đây: https://docsachxyz.com/tuan-hoan-phoi-phu-phoi-va-dich-mang-phoi-phan-2/
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
