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以下说明二氧化碳如何影响动脉血氧饱和度
二氧化碳影响氧有两大方面:一是在肺泡空腔的置换效应,另一是影响血中酸碱度进而影响血红素与氧的结合能力。肺泡空腔中的气体组成,因为与肺泡微血管达成某种程度的平衡,已经与体外空气不同,其计算公式如下:
PAO2 = [Patm - PH2O] x FiO2 - [PaCO2 / 0.8]
其中,- 代表减, x 代表乘, /代表除;
PAO2代表肺泡空腔的氧分压(A是alveolus肺泡);
Patm代表大气压力(atm=atmosphere),主要因海拔而定;
PH2O代表体温下的饱和水蒸气压,37度时约 47 mmHg;
FiO2代表吸入气体的氧百分比除以100(F是fraction, i是inhaled),如果是天然空气,等于0.21;
PaCO2 代表体动脉中二氧化碳的分压(a是artery),用体动脉来代表平衡后的肺泡微血管,两者推定相同,但体动脉可以抽血检验;0.8 是氧与二氧化碳间的代谢置换系数,是个经验值,有些氧与体内燃料的氢结合成水而非二氧化碳,所以不是1。
这公式可以看出,增加动脉血中二氧化碳分压则减少肺泡空腔中1.25倍的氧分压;反之,二氧化碳减少则增加氧。这个效应在越高的海拔,也就是越低的Patm,会有越显著影响。
再来谈二氧化碳与酸碱。前面已提过:二氧化碳与水结合成为碳酸;碳酸,碳酸氢根,氢离子三者的浓度会形成一个数学关系式,如下:
[H+] = 某常数 x [H2CO3] / [HCO3-]
其中,
[H+]代表氢离子浓度;
[H2CO3] 代表碳酸浓度;
[HCO3-] 代表碳酸氢根浓度;
因二氧化碳分压与碳酸浓度成正比,所以可改成:
[H+] = 某常数 x PCO2 / [HCO3-]
可以看出,PCO2越高则血液或体液越偏酸性;[HCO3-]越高则越能 "缓冲" 因PCO2改变造成的酸碱度改变幅度。酸度增加时,血红素与氧的结合力就下降;反之,当通气量增加,血中二氧化碳减少,使酸度降低,血红素与氧的结合力就增加,这会帮助氧气从肺泡进入血液。
影响血红素与氧的结合力的因素除了酸碱度外,还有温度,以及一种物质,DPG的浓度。温度或 DPG 提高都使血红素与氧的结合力下降。DPG全名是2,3-diphosphoglycerate,译做 [2,3-双磷酸甘油酸],含于红血球中,是葡萄糖的代谢产物。
DPG 在高度适应时会稍增加,而使血红素与氧的结合力稍减。但这是二氧化碳减少后引起的代偿反应。高度适应时体内二氧化碳减少使血液变碱,进而使血红素与氧的结合力大增,远盖过 DPG 的效应。DPG 的增加对于高度适应并没有帮助。血红素与氧的结合解离曲线是:纵轴为血红素的饱和度,横轴为氧压力,所画出的曲线,呈S形。其特殊形状刚好让血红素在肺泡结合较多氧,而在身体组织把氧释放,因为身体组织比肺泡偏酸性。
Diamox (acetazolamide)促进肾脏排出碳酸氢根而使体内变酸,酸促进呼吸中枢提高通气量,排出二氧化碳。这时虽然二氧化碳减少,但血液并没有偏碱,是药物作用在肾脏先造成偏酸的缘故。所以 Diamox 预防高山病的原理主要在,降低二氧化碳浓度后,因在肺泡处的置换效应而提升肺泡氧分压;而非在影响血红素与氧的结合力。Diamox 使二氧化碳减少时,DPG 并没有增加,可见高度适应时的DPG 增加是因血液偏碱引起的代偿反映。以往曾有学者推测 DPG 增加有助于血液将氧释放给组织,而算对高度适应有帮助,但这是错的。高原动物如骆马,犁牛,它们的血红素与氧的结合解离曲线都比人类偏左,也就是血红素与氧的结合力偏高,这样血液能从肺泡吸收较多氧;虽然在身体组织较不利于释放氧,但并不成为问题。
高海拔对身体的影响还有许多方面,例如骨骼肌细胞横径会缩小(也就是肌肉萎缩!),这样会使肌细胞内部与微血管的平均距离拉近,有利于撷取氧气。肌肉细胞内的粒线体数目也会减少。细胞内代谢的脢系统也会变化。这些影响有的有利,有的有害。
在极端高海拔停留超过数周,则会有食欲不振,消化不良,体重减轻,体力衰退等现象,称为进行性衰竭(altitude deterioration),通常发生于海拔 5500m以上,但因人而异。
[结语]
高度适应最重要的一步就是增加呼吸通气量。若有人为方法促进高度适应,应该就是促进呼吸通气的方法。其中,药物 Diamox 就是这样。也应该存在一种人为呼吸法可以藉由增加通气量来预防高山病,一种在呼气后半期撮口吹气的呼吸法 (相当于医院中使用的 PEEP -- positive end-expiratory pressure) 值得尝试。 |
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