Các thành phần của không khí phế nang và không khí khí quyển thì khác nhau
Không khí phế nang không có cùng các nồng độ khí như không khí khí quyển (Bảng 1). Có một số nguyên nhân cho các sự khác nhau. Đầu tiên, không khí phế nang chỉ một phần được thay thế bởi không khí khí quyển với mỗi lần thở. Thứ hai, O2 thì luôn luôn được hấp thu vào trong máu phổi từ không khí phế nang. Thứ ba, CO2 thì luôn luôn khuếch tán từ máu phổi vào trong các phế nang. Và thứ tư, không khí khí quyển khô mà đi vào trong các đường hô hấp thì được làm ẩm ngay trước khi nó đến các phế nang.
Không khí được làm ẩm trong các đường hô hấp
Bảng 1 cho thấy không khí khí quyền thì bao gồm gần như toàn bộ là nitrogen và O2; nó bình thường chứa gần như không có CO2 và ít hơi nước. Tuy nhiên, ngay khi không khí khí quyển đi vào trong các đường hô hấp, nó tiếp xúc với các dịch mà che phủ các bề mặt hô hấp. Ngay trước khi không khí đi vào trong các phế nang, nó trở nên gần như được làm ẩm tối đa.
Áp suất riêng phần của hơi nước ở một nhiệt độ cơ thể bình thường ở 37oC là 47 mm Hg, mà vì thế, chính là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí phế nang. Bởi vì áp suất toàn phần trong các phế nang không thể tăng nhiều hơn áp suất khí quyển (760 mm Hg ở mực nước biển) nên hơi nước này đơn giản là làm loãng tất cả các khí khác trong không khí hít vào. Bảng 1 cũng cho thấy rằng không khí pha loãng áp suất riêng phần oxygen ở mực nước biển từ một trung bình là 159 mm Hg trong không khí khí quyển đến 149 mm Hg trong không khí được làm ẩm và nó pha loãng áp suất riêng phần nitrogen từ 597 xuống 563 mm Hg.
Không khí phế nang được làm mới một cách chậm chạp bởi không khí khí quyển
Trong loạt bài viết trước, chúng ta đã chỉ ra rằng dung tích cặn chức năng trung bình của các phổi (thể tích của không khí còn lại trong các phổi ở cuối quá trình thở ra bình thường) là khoảng 2300 ml ở nam giới. Tuy nhiên chỉ 350 ml không khí mới được mang vào trong các phế nang với mỗi lần hít vào bình thường và cùng lượng này của không khí phế nang cũ được thở ra. Vì thế, thể tích không khí phế nang được thay thế bởi không khí khí quyển mới với mỗi lần thở là chỉ một phần bảy của tổng thể tích, vì thế, nhiều lần thở được cần đến để trao đổi hầu hết không khí phế nang. Hình 1 cho thấy mức độ làm mới không khí phế nang chậm này. Trong phế nang đầu tiên của hình, khí dư xuất hiện trong các phế nang, nhưng chú ý rằng thậm chí ở cuối của 16 lần thở, lượng khí dư vẫn không được loại bỏ hoàn toàn khỏi các phế nang.
Hình 2 cho thấy tốc độ về mặt đồ thị mà ở đó khí dư trong các phế nang bình thường được loại bỏ, cho thấy rằng với sự thông khí phế nang bình thường, gần một nửa khí được loại bỏ trong 17 giây. Khi mức độ thông khí phế nang của một người chỉ một nửa so với bình thường, một nửa khí được loại bỏ trong 34 giây và khi mức độ thông khí là gấp hai lần bình thường, một nửa được loại bỏ trong khoảng 8 giây.
Sự thay thế chậm của không khí phế nang giúp ổn định sự kiểm soát hô hấp. Sự thay thế chậm không khí phế nang thì có tầm quan trọng nhất định trong việc ngăn cản các sự thay đổi đột ngột trong các nồng độ khí trong máu. Điều này khiến cơ chế kiểm soát hô hấp ổn định hơn nhiều và nó giúp ngăn cản các sự tăng lên quá mức và các sự giảm quá mức trong sự oxygen hóa mô, nồng độ CO2 mô và pH mô khi hô hấp tạm thời gián đoạn.
Nồng độ oxygen và áp suất riêng phần trong các phế nang
Oxygen liên tục được hấp thu từ các phế nang vào trong máu của các phổi và O2 mới liên tục được hít vào trong các phế nang từ khí quyển. O2 được hấp thu càng nhanh, nồng độ của nó trong các phế nang càng trở nên thấp; ngược lại, O2 mới được hít vào trong các phế nang càng nhanh từ khí quyển, thì nồng độ của nó càng cao. Vì thế, nồng độ O2 trong các phế nang cũng như là áp suất riêng phần của nó, được kiểm soát bởi các yếu tố sau: (1) mức độ hấp thu O2 vào trong máu; (2) mức độ đi vào của O2 mới vào trong các phổi bởi quá trình thông khí.
Hình 3 cho thấy tác động của thông khí phế nang và mức độ hấp thu O2 vào trong máu lên PO2 của phế nang. Một đường cong biểu diễn sự hấp thu O2 ở một mức độ là 250 ml/phút và đường cong còn lại biểu diễn một mức độ là 1000 ml/phút. Ở mức độ thông khí bình thường là 4.2 L/phút và một sự tiêu thụ O2 là 250 ml/phút, điểm vận hành bình thường trong Hình 3 là điểm A. Hình cũng cho thấy rằng khi 1000 ml O2 được hấp thu mỗi phút, như trong suốt quá trình gắng sức trung bình, mức thông khí phế nang phả tăng lên bốn lần để duy trì PO2 phế nang ở giá trị bình thường là 104 mm Hg.
Một tác động khác được thể hiện trong Hình 3 là ngay cả một sự tăng lên cực kỳ nhiều trong thông khí phế nang thì cũng không bao giờ có thể làm tăng PO2 phế nang lên trên 149 mm Hg miễn là người đó đang thở bình thường không khí khí quyển ở áp suất mực nước biển bởi vì 149 mm Hg là PO2 tối đa trong không khí ẩm ở áp suất này. Nếu như một người thở các khí mà chứa các áp suất riêng phần O2 cao hơn 149 mm Hg, thì PO2 phế nang có thể tiệm cận đến các áp suất cao hơn này ở các mức độ thông khí cao.
Nồng độ CO2 và áp suất riêng phần trong các phế nang
Carbon dioxide thì liên tục được hình thành trong cơ thể và sau đó được mang trong máu đến các phế nang; nó liên tục được loại bỏ khỏi các phế nang bởi sự thông khí. Hình 4 cho thấy các tác động lên áp suất riêng phần của PCO2 của cả thông khí phế nang và hai mức độ của sự bài xuất CO2, là 200 và 800 ml/phút. Một đường cong biểu diễn một mức bài tiết CO2 bình thường là 200 ml/phút. Ở mức thông khí phế nang bình thường là 4.2 L/phút thì điểm vận hành đối với PCO2 phế nang là ở điểm A trong Hình 4 (nghĩa là 40 mm Hg).
Hai yếu tố khác mà cũng rõ ràng từ Hình 4. Đầu tiên, PCO2 phế nang tăng lên một cách tỷ thuận với mức bài xuất CO2, như được thể hiện bởi sự nâng lên bốn lần của đường cong (khi 800 ml CO2 được bài xuất mỗi phút). Thứ hai, PCO2 phế nang giảm tỷ lệ nghịch với sự thông khí phế nang. Vì thế, các nồng độ và các áp suất riêng phần của cả O2 và CO2 trong các phế nang được xác định bởi các mức hấp thu hay bài xuất của hai khí và bởi mức thông khí phế nang.
Không khí thở ra là sự kết hợp của không khí khoảng chết và không khí phế nang
Thành phần tổng quan của không khí thở ra được xác định bởi các yếu tố sau đây: (1) lượng không khí thở ra mà là không khí khoảng chết; và (2) lượng mà là không khí phế nang. Hình 5 cho thấy các sự thay đổi tiến triển trong các áp suất riêng phần O2 và CO2 trong không khí thở ra trong suốt quá trình thở ra. Phần đầu tiên của không khí này, không khí khoảng chết từ các đường hô hấp, là không khí được làm ẩm thông thường, như được thể hiện trong Bảng 1. Sau đó, ngày càng nhiều không khí phế nang được trộn lẫn với không khí khoảng chết cho đến khi tất cả không khí khoảng chết cuối cùng được đẩy hết ra ngoài, và không còn gì ngoài không khí phế nang được thở ra ở cuối quá trình thở ra. Vì thế, phương pháp thu thập không khí phế nang để nghiên cứu thì đơn giản là thu thập một mẫu phần cuối cùng của không khí thở ra sau sự thở ra mạnh loại bỏ tất cả không khí khoảng chết.
Không khí thở ra bình thường mà chứa cả không khí khoảng chết và không khí phế nang, thì có các nồng độ khí và các áp suất riêng phần xấp xỉ như được thể hiện trong Bảng 1 (nghĩa là các nồng độ giữa của không khí phế nang và không khí khí quyển được làm ẩm).
Sự khuếch tán của các khí qua màng hô hấp
Đơn vị hô hấp. Hình 6 cho thấy đơn vị hô hấp (còn được gọi là tiểu thùy hô hấp), mà bao gồm một tiểu phế quản hô hấp, các ống phế nang, các cửa phế nang và các phế nang. có khoảng 300 triệu phế nang trong hai phổi và mỗi phế nang có một đường kính trung bình là khoảng 0.2 millimeter. Các thành phế nang thì cực kỳ mỏng và giữa các phế nang là một mạng lưới gần như đặc của các mao mạch kết nối với nhau, được thể hiện trong Hình 7. Do sự phong phú của đám rối mao mạch, dòng máu trong thành phế nang được mô tả như là một tấm máu đang chảy. Vì thế, rõ ràng là các khí phế nang thì rất gần kề với máu của các mao mạch phổi. Hơn thế nữa, sự trao đổi khí giữa không khí phế nang và máu phổi xảy ra thông qua các màng của tất cả các phần tận cùng của các phổi, không chỉ đơn thuần là các phế nang. Tất cả các màng này được gọi chung là màng hô hấp (respiratory membrane hay còn được gọi là pulmonary membrane).
Màng hô hấp. Hình 8 cho thấy siêu cấu trúc của màng hô hấp được vẽ trên thiết diện cắt ngang ở bên trái và một tế bào hồng cầu ở bên phải. Nó cũng cho thấy sự khuếch tán của O2 từ phế nang vào trong tế bào hồng cầu và sự khuếch tán của CO2 theo hướng đối diện. Chú ý các lớp khác nhau của màng hô hấp:
1. Một lớp dịch chứa surfactant mà lót phế nang và làm giảm sức căng bề mặt của dịch phế nang
2. Biểu mô phế nang, bao gồm các tế bào biểu mô mỏng
3. Một màng đáy biểu mô
4. Một khoảng kẽ mỏng giữa biểu mô phế nang và màng mao mạch
5. Một màng đáy mao mạch mà ở nhiều nơi hợp với màng đáy biểu mô phế nang
6. Màng nội mô mao mạch
Mặc dù có số lượng lớn các lớp, nhưng độ dày tổng quan của màng hô hấp trong một số khu vực thì thấp đến 0.2 micrometer và trung bình khoảng 0.6 micrometer, ngoại trừ nơi mà có các nhân tế bào. Từ các nghiên cứu mô học, người ta đã ước tính là tổng diện tích bề mặt của màng hô hấp là khoảng 70 mét vuông ở nam giới khỏe mạnh, mà tương đương với diện tích nền của một phòng 25 x 30 foot. Tổng lượng máu trong các mao mạch của các phổi ở bất cứ thời điểm nào là 60 đến 140 ml. Bây giờ, hãy tưởng tượng lượng máu nhỏ này trải trên toàn bộ diện tích của một nền 25 x 30-foot, và rất dễ để hiểu tính nhanh chóng của sự trao đổi O2 và CO2 của phổi.
Đường kính trung bình của các mao mạch phổi chỉ là khoảng 5 micrometers mà có nghĩa là các tế bào hồng cầu phải nén ép đi qua chúng. Màng tế bào hồng cầu thường chạm thành mao mạch, vì thế, O2 và CO2 không cần đi qua các lượng huyết tương đáng kể khi chúng khuếch tán giữa phế nang và tế bào hồng cầu. Điều này cũng làm tăng tính nhanh của sự khuếch tán.
Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ khuếch tán khí qua màng hô hấp
Nhớ lại sự bàn luận trước đây về sự khuếch tán của các khí trong nước, chúng ta có thể áp dụng cùng các nguyên lý đối với sự khuếch tán của các khí qua màng hô hấp. Vì thế, các yếu tố mà xác định một khí sẽ đi qua màng nhanh như thế nào như sau: (1) độ dày của màng; (2) diện tích bề mặt của màng; (3) hệ số khuếch tán của khí trong chất của màng; và (4) chênh lệch áp suất riêng phần của khí giữa hai phía của màng.
Độ dày của màng hô hấp đôi khi tăng – ví dụ, do dịch phù trong khoảng kẽ của màng và trong các phế nang – vì thế, các khí sau đó phải khuếch tán không chỉ qua màng mà còn qua dịch. Ngoài ra, một số bệnh phổi gây ra sự xơ hóa của các phổi mà làm tăng độ dày một số phần của màng hô hấp. Bởi vì mức khuếch tán qua màng thì tỷ lệ nghịch với độ dày của màng nên bất cứ yếu tố nào mà làm tăng độ dày đến nhiều hơn hai đến ba lần so với bình thường có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự trao đổi hô hấp bình thường của các khí.
Diện tích bề mặt của màng hô hấp có thể giảm một cách đáng kể bởi nhiều tình trạng. Ví dụ, sự loại bỏ của toàn bộ một phổi làm giảm tổng diện tích bề mặt đến một nửa so với bình thường. Ngoài ra, trong khí phế thủng, nhiều trong số các phế nang được hợp nhất, với sự mất đi của nhiều thành phế nang. Vì thế, các buồng phế nang mới thì lớn hơn nhiều so với các phế nang bình thường, nhưng tổng diện tích bề mặt của màng hô hấp thì thường giảm đến khoảng một phần ba đến một phần tư so với bình thường, sự trao đổi các khí qua màng thì bị ngăn cản đáng kể, ngay cả dưới các điều kiện nghỉ ngơi và trong các môn thể thao cạnh tranh và gắng sức mạnh khác, thậm chí sự giảm nhẹ nhất trong diện tích bề mặt của các phổi có thể gây ra một sự suy giảm nghiêm trọng đối với sự trao đổi hô hấp của các khí.
Hệ số khuếch tán đối với sự chuyển của mỗi khí qua màng hô hấp phụ thuộc vào tính tan của khí trong màng và, tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của trọng lượng phân tử của khí. Mức khuếch tán trong màng hô hấp thì hầu như hoàn toàn giống với mức khuếch tán trong nước, vì các lý do được giải thích trước đây. Vì thế, đối với một sự chênh lệch áp suất cho trước, CO2 khuếch tán nhanh khoảng 20 lần O2. Oxygen khuếch tán nhanh khoảng hai lần so với nitrogen.
Sự chênh lệch áp suất qua màng hô hấp là sự chênh lệch giữa áp suất riêng phần của khí trong các phế nang và áp suất riêng phần của khí trong máu mao mạch. Vì thế, sự chênh lệch giữa hai áp suất này là một sự đo lường của khuynh hướng toàn phần đối với các phân tử khí di chuyển qua màng.
Khi áp suất riêng phần của một khí trong các phế nang thì lớn hơn áp suất của khí trong máu, như đúng với O2, sự khuếch tán toàn phần từ các phế nang vào trong máu xảy ra. Khi áp suất của khí trong máu thì lớn hơn áp suất riêng phần trong các phế nang, như đúng với CO2, sự khuếch tán toàn phần từ máu vào trong các phế nang xảy ra.
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/cac-nguyen-ly-cua-su-trao-doi-khi-su-khuech-tan-cua-oxygen-va-carbon-dioxide-qua-mang-ho-hap-phan-1/
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
