气体交换

气体交换（精选五篇）

气体交换 篇1

肺部气体交换异常,诸如肺部分流或者通气/灌注比失常经常会引起患者的低氧血症。所以准确地检测肺部气体交换情况不仅可以预防低氧血症,还可以作为判断肺部气体交换异常严重性和临床治疗效果的有效手段,对辅助临床治疗决策具有很重要的意义。从Rahn[1]和Riley等[2]开始对肺部气体交换进行定量分析研究到现在已经有60 a。根据实验的方法,在描述氧气交换时,一般要进行动、静脉压的血气分析,脉搏血氧定量检测,肺内分流测量,计算动脉血氧分压与吸入气体的氧气体积分数之比[pa(O2)/FI(O2)]。在描述二氧化碳交换时,临床上常检测的参数有动静脉血气分析、肺泡的死腔、呼末二氧化碳体积分数等。但是实际中,临床上针对呼吸衰竭患者的肺部气体交换评估,还只是通过动脉血氧饱和度或者肺泡—动脉氧分压曲线斜率等这些简单的参数测量来描述和评估肺部内氧气和二氧化碳的气体交换异常。单纯靠一两组参数不能准确地描述气体交换的情况,但是实验的方法又过于复杂,不适合临床应用,这就对临床上如何准确地评估患者的临床表现提出了挑战。本文从数学建模的角度出发,尝试建立一个关于人体氧气交换、运输、消耗的简单数学模型,通过模型可以有效地描述人体中氧气交换的生理学过程,准确反映患者的肺部气体交换的情况,并能有效地应用于临床中,方便对患者的评估。

1 方法

1.1 肺部气体交换的模型

Riley等[2]早期在对肺气体交换过程进行研究时,发现肺气体运输存在由肺泡—肺毛细血管膜造成的气体从肺泡向肺毛细血管弥散的阻力(Rdiff),同时部分肺泡存在仅有血流灌注、无通气的现象(称为肺分流,Shunt)。据此,Riley提出了肺气体运输的简化模型———单腔肺模型,来模拟生理状态的肺气体交换。Petros等[3]在研究中发现肺的通气和肺泡的血液灌注存在不均质性,以及肺气体交换中存在通气与灌注的不匹配,随后提出了不均质性的肺模型——双腔肺模型。后来在此基础上,又有人提出双腔肺的气体运输模型(如图1 所示),建议对文中的相关参数给予说明,利用氧运输的双参数数学模型,将肺气体运输的阻力描述为肺分流和通气/灌注不匹配的双重作用。

Karbing等[4]通过临床实际对比应用,认为单腔肺模型的模拟值与临床患者的实际检测值只有3%吻合,而双腔肺模型的模拟值与临床患者的实际检测值有80%吻合。由此说明双腔肺模型能更好地模拟患者的实际情况。由此本文选取双腔肺模型作为气体交换模型。

1.2 双腔肺模型

如图1 所示,本文将人体的气体交换和运输分成肺泡通气、肺泡气体交换、肺部分流、人体血液运输、组织气体交换等5 个部分进行描述。模型中各术语定义见表1。

1.2.1 肺泡通气

在双腔肺模型中,为了描述临床上弥散和灌注的不均质性,肺泡的通气被描述成2 个腔,2 个腔分别表示不同的值,这里用fA2表示低值腔[腔(2)]的通气比例,用1-fA2表示高值腔[腔(1)]的通气比例。在肺部通气过程中肺部有一部分没有参加气体交换,这部分肺组织称为死腔,其容积用VD表示。若肺部通气的潮气量为VT,呼吸频率为f,则肺泡的分钟通气量为

式(1)~(9)中,表示每分钟肺部吸入的O2的量;表示每分钟从肺部呼出到大气的CO2的量。如果用表示每分钟肺部毛细血管释放到肺泡中的CO2的量,用表示每分钟肺泡中的O2扩散到肺部毛细血管中的量,则有

1.2.2 肺泡气体交换

在双腔肺模型中肺泡的通气根据值的不同被分成了2 个腔,相应的流经这2 个腔的血流也被分成了2 个部分,流经低值腔的血流量比例为f2,则流经高值腔的血流量比例为1-f2。模型中假设空气是干燥的,大气压pB=101.3 k Pa,37 ℃时水的饱和蒸汽压p(H2O)=6.3 k Pa,这时肺泡内的二氧化碳分压pA(CO2)和氧气分压pA(O2)为

流入肺泡毛细血管中的血液含有高的二氧化碳分压[p(CO2)]和低的氧分压[ p(O2)],在肺泡中完成气体交换后毛细血管中的p(CO2)和p(O2)与肺泡内的p(CO2)和p(O2)达到平衡,所以有

式(18)~(21)中,pl(O2)、pl(CO2)分别为肺内的氧分压和二氧化碳分压。

气体交换过程中,二氧化碳从流经肺泡的血液中释放,氧气经肺泡进入血液,血液中氧气和二氧化碳含量的改变可以表达为

式(18)~(25)中,Cv(CO2)、Cv(O2)分别表示肺泡毛细血管中的二氧化碳和氧气的含量;Cc(CO2)、Cc(O2)分别表示流出肺泡毛细血管血液中的二氧化碳和氧气的含量。

1.2.3 肺部分流

因为某些原因,流经肺内的部分血液是不参加气体交换的,模型中假设不参加气体交换的血流量占总血流量的比例为fs,则参加气体交换的血流量为。流出肺的血液中含有的氧气和二氧化碳的量Ca(O2)和Ca(CO2)为

1.2.4 人体血液运输

在血液中氧气是以2 种形式存在的:一种是物理溶解在血浆中;另一种是与血红蛋白结合,形成氧合血红蛋白,这也是血液运输氧气的主要形式。由此可得血液中含氧量总和为

式中,S(O2)为血液中的血氧饱和度。二氧化碳在血-液中不仅以物理溶解的方式存在,还以HCO3的形式存在于血液中。在静脉血中因氧合血红蛋白的数量减少,二氧化碳还会以和血红蛋白结合的方式存在。所以血液中二氧化碳的总量为

式(29)~(30)中,HCO-3p是血浆中的HCO3-的含量,HCO-3e是红细胞中的HCO3-的含量,Hb(NHCOO-)是红细胞中二氧化碳结合血红蛋白的量,Hb(O2NHCOO-)是红细胞中二氧化碳结合氧合血红蛋白的量。

1.2.5 组织气体交换

血液中的氧气和二氧化碳流经人体各组织的毛细血管,经过细胞间质与组织细胞进行气体交换。模型中对血液和组织之间的气体交换进行简化处理,假设为每分钟组织交换的氧气量,为每分钟组织释放的二氧化碳的量。则有

1.3 氧离曲线(oxygen dissociation curve,ODC)

氧离曲线或氧合血红蛋白解离曲线是表示p(O2)与Hb氧结合量或Hb氧饱和度关系的曲线(如图2所示)。该曲线可表示不同p(O2)时,O2与Hb的结合情况。氧离曲线受到包括p(O2)、Hb本身的性质和含量、p(CO2)、CO、p H、2,3-DPG和温度等多种因素影响:p H升高,p(CO2)、2,3-DPG、温度降低和CO中毒时,氧离曲线左移;p H降低,p(CO2)升高,2,3-DPG、温度升高,氧离曲线右移。

Hb的变构效应使得氧离曲线成S形,这使得描述氧离曲线的模型相对复杂。因为氧离曲线对于描述氧在人体中的运输、交换的过程起着重要的作用,而且氧离曲线数学模型的正确与否关系到整个模型正确与否,因此下面将重点对其进行讨论。

1910 年Hill[5]最早建立了氧分压和血氧饱和度S方程:

式中,p50是血氧饱和度为0.5 时的氧分压。1925 年,Adair[6]根据中间化合物理论将氧和血红蛋白的结合以及氧合血红蛋白的分解分为4 步反应,结合4 步反应的情况,Adair将4 步化学反应方程的表示转化成数学描述,利用多项式来表示如下:

式中,a1、a2、a3、a4是基于人体数据的常数。Adair的方程能够在较大的范围内与实验数据吻合, 但其方程式复杂,a1、a2、a3、a44 个常数的确定相对困难,所以在实际应用中存在局限。由此,Visser等[7]于1960 年建立了简单的血氧饱和度方程:

Visser认为人体的氧分压通常介于20~100 mm Hg(1 mm Hg=133.322 Pa)之间,在氧分压大于20 mm Hg时,氧离曲线形状相对简单,可以被比较好地拟合。虽然Visser公式在氧分压大于20 mm Hg时与实验数据比较吻合,但其终究失去了氧离曲线的特性。

1963 年Margaria[8]对Adair方程进行了简化:

Margaria认为在氧和血红蛋白的结合以及氧合血红蛋白分解的4 步反应中,前3 步之间没有相互作用,而第4 步反应中铁对氧的亲和能力是前3 步反应中的125 倍,由此以k值代替a1、a2、a3、a4,并且增加了变量m用来指示第4 步氧合作用中铁对氧的亲和能力增加值。

综合上述4 种氧离曲线的数学模型,考虑模型建立的有效性、简单性和使用的范围,我们选择Margaria方程来表示氧离曲线。

2 结果

我们利用Matlab中的Simulink工具对以上建立的呼吸系统模型进行仿真。模型假设人体组织的代谢率为恒定,仿真环境是在标准大气压下进行。模型将吸入气体氧气体积分数、二氧化碳体积分数、潮气量、呼吸频率作为输入参数,可以实时仿真呼末氧气体积分数、呼末二氧化碳体积分数以及动脉血氧饱和度等参数。

2.1 呼末氧气体积分数变化曲线

Kjaergaard等[9]为了研究剖腹产手术后的低氧血症问题,针对12 名患者手术前,手术后2、8 和48 h的与气体交换相关的生理参数进行了测量。为了验证气体交换模型的有效性,我们选取文献[9]中报道的一位患者术后2 h(fA2=0.54,fs=0.08,f2=0.9)在不同吸入气体氧气体积分数(0.18、0.19、0.21、0.54、1.0)条件下测得呼末氧气体积分数的实验数据与通过气体交换模型得到的相应数据进行对比。结果如图3所示,2 组数据无显著统计学差异(P>0.05)。

2.2 动脉血氧饱和度变化曲线

血氧饱和度是人体呼吸循环系统的重要生理参数,监测动脉血氧饱和度可以对人体肺的氧合能力和血红蛋白携氧能力进行评估。临床上许多疾病都会造成人体氧供给减少,这将直接影响细胞的新陈代谢,严重的将威胁人的生命,所以动脉血氧浓度的实时监测在临床救治中至关重要。

临床上监测动脉血氧饱和度是通过血气分析仪测量动脉血的氧分压值,并计算出动脉血氧饱和度数值的。利用脉搏血氧饱和度仪测量得到的数据在一定程度上可以反映动脉血氧的变化,但相对于实际的动脉血氧饱和度值还需要进行校正。临床上根据动脉血氧饱和度-吸入气体氧气体积分数曲线或者动脉血氧饱和度-呼末气体氧气体积分数曲线的形态和位置可以有效地判断肺部气体交换的情况。图4 为不同吸入氧气体积分数(0.18、0.19、0.21、0.54、1.0)下的气体交换模型仿真动脉血氧饱和度变化曲线与文献[9]中报道的实验数据的对比图。从结果中可以看出,仿真得到的数据与临床实测的数据无显著统计学差异(P>0.05)。

3 分析

双腔肺模型是包括描述肺内不均匀性通气、灌注、分流等的多腔室模型,模型中参数fA2、fs、f2可以定量地描述人体气体交换的异常。

3.1 肺内分流对气体交换的影响

肺内分流是指由于不同的原因使肺内血流未经氧合便直接与已氧合的、动脉化的血相混合,使血氧下降。模型中参数f2直接描述肺内分流的情况。临床上气道梗阻、肺炎、肺不张、肺水肿等凡是毛细血管内血流不能与肺泡气体进行交换,即血流未能获得氧合、动脉化,均可形成肺内分流。图5 描述的是不同的肺内分流(fs=0.01、0.1、0.3、0.5)情况下运用模型仿真出的动脉血氧饱和度随呼出气体氧气体积分数变化图。从图中可以看出,随着肺内分流的增大,动脉血氧饱和度/呼出气体氧气体积分数曲线逐渐下移,当肺内分流达到50%时,增加吸入气体氧气体积分数已不能纠正患者缺氧的症状。

注:潮气量VT=440 ml;呼吸频率f=12;fA2=0.9,f2=0.9;fs分别为0.01、0.1、0.3、0.5

3.2比例失调

临床上比例正常值为0.84,无论升高或降低均会导致机体缺氧、动脉血氧分压下降。小于0.84 表明通气量显著减少,常见于阻塞性肺气肿、慢性气管炎、肺水肿等疾病;大于0.84 表明肺血流量明显减少,常见于肺右心衰竭、动脉梗塞等。

图6 是同一患者在手术前以及术后2 和8 h运用模型仿真出的动脉血氧饱和度-呼末气体氧气体积分数曲线图。手术前患者通气分流比率fA2=0.78,f2=0.9;术后2 h fA2=0.54,f2=0.9;术后8 h fA2=0.42,f2=0.9。随着肺部通气分流比率fA2的降低,参与气体交换的通气量较少,比例减小,曲线呈现出右移的趋势。

4 讨论

本文基于人体气体交换的数学模型建立了以双腔肺模型为基础的计算机仿真模型。模型针对给定的呼吸潮气量、呼吸频率以及吸入气体氧气体积分数等参数对呼末气体氧气体积分数、动脉血氧饱和度等进行了准确的模拟仿真,并总结探讨了肺内分流及比例失调对于人体气体交换的影响。将肺气体交换的数学模型结合临床非介入检测手段,可以快速准确地估计肺气体交换参数,为临床医生及时了解患者病情提供客观依据,对提高临床的诊断和评估水平产生了深远的影响。

参考文献

[1]Rahn H.A concept of mean alveolar air and the ventilationblood flow relationships during pulmonary gas exchange[J].Am J Physiol,1949,158:21-30.

[2]Riley R L,Cournand A."Ideal"alveolar air and the analysis of ventilation-perfusion relationships in the lungs[J].J Appl Physiol,1949,1:825-847.

[3]Petros A J,Dore C J,Nunn J F.Modification of the iso-shunt lines for low inspired oxygen concentrations[J].British Journal of Anaesthesia,1994,72(5):515-522.

[4]Karbing D S,Kjaergaard S,Andreassen S,et al.Minimal model quantification of pulmonary gas exchange in intensive care patients[J].Medical Engineering&Physics,2010,33(2):240-248.

[5]Hill A V.The possible effects of aggregation of the molecules of haemoglobin on its dissociation curve[J].J Physiol(Lond),1910,41:4-7.

[6]Adair G S.The hemoglobin system.VI.The oxygen dissociation curve of hemoglobin[J].J Biol Chem,1925,63:529-545.

[7]Visser B F,Maas A H J.Pulmonary diffusion of oxygen[J].Phys Med Biol,1959,3(3):264-272.

[8]Margaria R.A mathematical treatment of the blood dissociation curve for oxygen[J].Clinical Chemistry,1963,11:745-762.

体内气体的交换 教案示例 篇2

（二）教学目的 1． 知识方面：

（1）知道肺泡内和组织里气体交换的基本知识。（2）学会验证人体呼出的气体中含有较多的二氧化碳。（3）知道煤气中毒及其预防方法。2.能力方面：

（1）通过验证人体呼出的气体中含有较多的二氧化碳的实验，培养学生动手实验能力和观察能力。

（2）通过实验现象的分析，培养学生的分析问题的能力。3．思想情感方面：

培养学生探索的精神和学习自然科学的学习方法及实事求是的精神。重点难点

验证人体呼出的气体中含有较多的二氧化碳实验为重点。因为通过验证实验可以使学生知道人体需要不断地吸人空气中的氧，同时不断将体内产生的二氧化碳呼出体外，体内在不断地进行着气体交换。

煤气中毒的原因为本节的难点。因为要解释煤气中毒的原因既要讲清楚气体扩散作用，又要联系血红蛋白特性，学生接受有一定难度。教具准备

投影片或课件、试管、玻璃管、澄清的石灰水。课时安排 2 课时。教学过程 第一课时 1． 教学过程设计思路：（1）情境导入、引出课题。（2）分析问题、探究实验。

（3）课件演示气体交换，分析体内血液成分变化。（4）归纳小结。（5）讨论答疑。2． 教学过程的说明：（1）关于课题的引出。

教师可将课文中吸入和呼出的气体中，氧和二氧化碳含量的变化示意图用投影片打出，也可请学生直接看书中的示意图，启发学生分析：气体吸入与呼出的成分发生了变化，说明气体在体内进行了交换，从此引出课题。（2）关于验证实验部分的教学。

从示意图中可发现：人体呼出的气体中含较多的二氧化碳，那么用什么方法去验证这个结论呢？

①启发学生分析问题，设计实验，用最简单、安全、可操作、现象明显的方法。因为初一做过种子呼吸时释放二氧化碳实验，学生能借鉴这种方法，在达成共识后，采用向石灰水中吹气。

②启发学生在吹气过程中应注意哪些问题？学生进行讨论分析，最后明确：a.石灰水要用新配制的；b.操作时应选另一试管做对照；c．吹气吹到石灰水变浑浊就要停止吹气；d．不许向口中吸。

③注意实验室纪律，可用打气筒向气球打一定量的空气，当向一试管吹气后，可将盛空气的气球连一玻璃管一端，另一端插入另一试管的石灰水中放气，并对比两试管中的变化。（3）关于体内气体交换部分的教学。

这部分知识大纲没有作要求，无疑是降低了教材的难度。因此这部分教学，教师可由复习动脉血和静脉血、血液循环等知识再引领到体内气体交换上，也可利用复合投影片或课件显示气体交换的过程；教师也可板画肺泡、组织里气体交换示意图，使学生通过观察、分析，最后归纳出知识点。板书设计

第二节 体内气体的交换

（一）一、体内气体的交换

（一）验证实验：

向澄清的石灰水中吹气，证明人呼出的气体中含较多的二氧化碳。

（二）体内气体的交换 1.肺泡内：（略）2.组织内：（略）第二课时

1.教学过程设计思路：

（1）由知识回顾设疑导出呼吸概念。（2）讨论、分析、归纳出呼吸的意义。

（3）利用课件演示煤气中毒，分析中毒原因，讨论预防措施。（4）归纳、小结。（5）讨论答疑。2．教学过程的说明：（1）呼吸概念的引出。

教师可利用投影或课件回放上节体内气体的交换过程，启发学生思考：外界氧进入组织细胞，而细胞内的二氧化碳又排到体外，这样的气体交换就完成了什么过程？引出呼吸的概念。教师也可采角直接提问的方式使学生复习上节知识，引出人体与外界进行气体交换的过程是呼吸的概念。

（2）关于呼吸的意义部分教学。

学生对人呼吸与生命安危认识很清，但对呼吸时吸入的氧到体内的作用认识不清。本部分教学可启发学生讨论，互相探讨；也可直接放录像或课件，显示呼吸的意义，最后请学生归纳： ①通过呼吸吸入的氧，将体内的有机物不断分解，释放出能量，供给人体进行各项生理活动和维持体温的需要，同时不断地将体内产生的二氧化碳排出体外。②若呼吸功能发生障碍，会危及人的生命。（3）关于煤气中毒及其预防部分的教学。

这部分是第二节体内气体交换的难点，因为煤气中毒原因联系的知识点较多，学生要解释清楚比较难。因此，教师可请学生讲实际生活中见到的煤气中毒现象及其抢救，也可播放课件演示煤气中毒，然后请学生分组讨论：①什么是煤气中毒？②煤气中毒的原因是什么？③为什么煤气中毒严重时会危及人的生命？④如何预防煤气中毒？最后每组选一名代表到班上进行发言，使全体学生都明确：①煤气中毒。②煤气中毒的原因及其预防。（4）归纳小结。

本节课由两课时完成，全部知识学究后，教师应启发学生将所学知识归纳小结，明确重、难点和应强化的技能，这样可使学生掌握的知识系统化、条理化。（5）讨论、答疑。

就所学知识，学生们之问展开讨论，如课后习题、课外有关问题等，均可讨论、答疑。教师也应积极参与，对学生间争论不清的问题应予以明确的解答。板书设计

第二节 体内气体交换

（二）二、呼吸的意义

三、煤气中毒及其预防 1．煤气中毒（一氧化碳中毒）

气体交换 篇3

摘要：以杂交大豆品种杂交豆2号和杂交豆5号为试验材料，在田间条件下测定不同生育期叶片气体交换特性的变化规律，结果表明：杂交大豆叶片净光合速率和表观叶肉导度的生育期变化呈单峰曲线，从V4期到R4期，叶片净光合速率和表观叶肉导度呈增加变化，R4期最高，然后逐渐降低，R7期最低。气孔导度和蒸腾速率变化呈现出随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片气孔导度和蒸腾速率逐渐降低，在V4期最高，R7期最低。叶片胞间CO2浓度的生育期变化表现为V4、R7时期较高，R2、R4和R6时期偏低的变化。叶片的水分利用效率变化呈现出随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片水分利用效率逐渐增加的趋势，在V4期叶片水分利用效率最低，R7期最高。

关键词：杂交大豆；生育期；气体交换特性

基金项目：国家863计划项目（2011AA105），吉林省自然科学基金项目（201215178）

中图分类号： S565.1 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.08.017

杂种优势在自然界中普遍存在，杂交种的应用加速了农作物遗传改良的进程，利用杂种优势对提高农作物产量具有重要意义[1-2]。杂种优势在水稻、玉米等作物上已广泛应用，小麦、大豆等作物正在进入应用阶段[3-5]。大豆杂种优势及其利用方面的研究，我国处于国际领先地位[6-7]，我国是世界上首个育成大豆杂交种品种[8]，并在生产上得以应用推广的国家。大豆杂交种品种的籽粒产量会显著提高，具有明显的杂种优势[8-11]，一般要比普通大豆品种产量增加15%～20%，目前，在我国已有多个大豆杂交种品种通过审定[8-11]，现有的大豆杂交种品种多数都是通过“三系”法生产的。我国能对抗美国转基因大豆的关键途径之一是杂交大豆技术的研究及利用。作物产量中90%～95%的物质来自作物光合作用的产物，光合速率与产量呈正相关，较高的光合生产力是其获得高产的生理基础[12-13]。随着大豆产量的不断提高和市场需求的不断扩大，对大豆光合生理特性等研究也不断增加。目前关于大豆品种光合等生理特性的研究已有不少报道，但有关杂交大豆气体交换特性的系统研究鲜见报道。本研究以两个大豆杂交种为试验材料，系统研究杂交大豆品种不同生育期叶片气体交换特性的变化规律，为培育大豆杂交种新品种提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以杂交大豆品种杂交2号和杂交5号为供试材料，由吉林省农业科学院大豆品种资源室提供。

1.2 试验设计

本试验是2013年，在长春市（43.53°N，125.1°E）吉林农业大学大豆试验田进行。试验地区作物生长季节5～9月份，年平均降雨量为645毫米，≥10℃的有效积温是2880℃，无霜期为140天，试验地土壤是黑壤土。试验采用随机区组设计，行长10米，10行区，行距0.65米，小区面积65平方米，密度20万株/公顷，三次重复，常规田间管理。

1.3 叶片光合生理指标的测定

选择晴天在上午9：00～11：00，用LI-6400型便携式光合作用测定系统（LICOR，美国），在田间条件下开放式气路测定，用固定红蓝光源设置光量子通量为1200 μmol·m-2·s-1，测定自植株上数第4节位的功能叶片Pn、Tr、Gs和Ci。水分利用效率利用公式Pn/Tr计算[14]。表观叶肉导度利用公式Pn/Ci计算。测定生育期分别为第四节期（V4）、开花盛期（R2）、结荚盛期（R4）、鼓粒盛期（R6）、成熟期（R7）[15]。每个品种选择5株测定，3次重复，结果取其平均值。

1.4 数据处理

文中的所有数据采用Excel 2003数据处理系统进行处理，应用DPS9.05软件进行方差分析和差异显著性测验。

2 结果与分析

2.1 不同生育时期杂交大豆叶片净光合速率的变化

从图1-A可以看出，在全生育时期杂交大豆叶片净光合速率呈单峰曲线变化，从V4期到R4期，叶片净光合速率呈增加变化，R4期净光合速率最高，然后逐渐降低，成熟期净光合速率最低。在各个生育时期，杂交豆2号和杂交豆5号叶片的净光合速率具有相同的变化趋势。杂交豆2号不同生育时期叶片净光合速率相比表明，R2期比V4期叶片的净光合速率高18.3%，R4期比R2期叶片的净光合速率高11.6%，R6期比R4期叶片的净光合速率低16.8%，R7期比R6期叶片的净光合速率低51.8%。杂交豆5号不同生育时期叶片净光合速率相比表明，R2期比V4期叶片的净光合速率高25.2%，R4期比R2期叶片的净光合速率高20.5%，R6期比R4期叶片的净光合速率低15.6%，R7期比R6期叶片的净光合速率低56.1%。

2.2 不同生育时期杂交大豆叶片气孔导度的变化

从不同生育时期杂交大豆叶片的气孔导度变化来看（图1-B），随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片气孔导度逐渐降低。在V4期叶片气孔导度最高，R7期叶片气孔导度最低。在各个生育时期，杂交豆2号和杂交豆5号叶片的气孔导度具有相同的变化趋势。杂交豆2号不同生育时期叶片气孔导度相比表明，R2期比V4期叶片的气孔导度降低18.6%，R4期比R2期叶片的气孔导度降低5.9%，R6期比R4期叶片的气孔导度低17.8%，R7期比R6期叶片的气孔导度低48.6%。杂交豆5号不同生育时期叶片气孔导度相比表明，R2期比V4期叶片的气孔导度降低16.7%，R4期比R2期叶片的气孔导度降低5.1%，R6期比R4期叶片的气孔导度低17.8%，R7期比R6期叶片的气孔导度低47.5%。

2.3 不同生育时期杂交大豆叶片胞间CO2浓度的变化

从图1-C可以看出，杂交大豆品种叶片胞间CO2浓度的生育期变化表现为V4、R7时期较高，R2、R4和R6时期偏低的变化。杂交豆2号V4期叶片胞间CO2浓度分别比R2、R4和R6期叶片胞间CO2浓度高10.2%、5.9%和6.5%；R7期叶片胞间CO2浓度分别比R2、R4和R6期叶片胞间CO2浓度高11.3%、7.0%和7.5%。杂交豆5号V4期叶片胞间CO2浓度分别比R2、R4和R6期叶片胞间CO2浓度高3.5%、2.0%和12.7%；R7期叶片胞间CO2浓度分别比R2、R4和R6期叶片胞间CO2浓度高18.8%、17.1%和29.3%。endprint

2.4 不同生育时期杂交大豆叶片蒸腾速率的变化

图1-D表明，杂交大豆叶片的蒸腾速率的生育时期变化，呈现出随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片蒸腾速率逐渐降低，与气孔导度变化趋势一致。在V4期叶片蒸腾速率最高，R7期叶片蒸腾速率最低。在各个生育时期，杂交豆2号和杂交豆5号叶片的蒸腾速率具有相同的变化趋势。杂交豆2号不同生育时期叶片蒸腾速率相比，R2期比V4期叶片的蒸腾速率降低5.5%，R4期比R2期叶片的蒸腾速率降低14.3%，R6期比R4期叶片的蒸腾速率低16.5%，R7期比R6期叶片的蒸腾速率低49.4%。杂交豆5号不同生育时期叶片蒸腾速率相比，R2期比V4期叶片的蒸腾速率降低1.9%，R4期比R2期叶片的蒸腾速率降低21.2%，R6期比R4期叶片的蒸腾速率率低12.7%，R7期比R6期叶片的蒸腾速率低39.6%。

2.5 不同生育时期杂交大豆叶片水分利用效率的变化

从不同生育时期杂交大豆叶片的水分利用效率变化来看（图1-E），呈现出随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片水分利用效率逐渐增加。在V4期叶片水分利用效率最低，R7期叶片水分利用效率最高。杂交豆2号不同生育时期叶片水分利用效率相比，R2期比V4期叶片的水分利用效率提高33.7%，R4期比R2期叶片的水分利用效率提高30.2%，R6期比R4期叶片的水分利用效率提高降低0.1%，R7期比R6期叶片的水分利用效率提高41.6%。杂交豆5号不同生育时期叶片水分利用效率相比，R2期比V4期叶片的水分利用效率提高21.2%，R4期比R2期叶片的水分利用效率提高52.9%，R6期比R4期叶片的水分利用效率降低4.3%，R7期比R6期叶片的气孔导度低5.5%。R4和R6期，杂交豆5号叶片的水分利用效率高于杂交豆2号叶片的水分利用效率。

2.6 不同生育时期杂交大豆叶片表观叶肉导度的变化

从图1-F可以看出，在全生育时期杂交大豆叶片表观叶肉导度呈单峰曲线变化，从V4期到R4期，叶片表观叶肉导度呈增加变化，R4期表观叶肉导度最高，然后逐渐降低，成熟期表观叶肉导度最低，这与净光合速率变化趋势一致。在各个生育时期，杂交豆2号和杂交豆5号叶片的表观叶肉导度具有相同的变化趋势。杂交豆2号不同生育时期叶片表观叶肉导度相比，R2期比V4期叶片的表观叶肉导度高30.4%，R4期比R2期叶片的表观叶肉导度高7.2%，R6期比R4期叶片的表观叶肉导度低16.4%，R7期比R6期叶片的表观叶肉导度低52.6%。杂交豆5号不同生育时期叶片表观叶肉导度相比，R2期比V4期叶片的表观叶肉导度高25.1%，R4期比R2期叶片的表观叶肉导度高18.7%，R6期比R4期叶片的表观叶肉导度低6.7%，R7期比R6期叶片的表观叶肉导度低66.1%。

3 讨论与结论

绿色植物特有的生理功能是叶片具有光合作用，光合作用是植物生产力构成的最主要因素，在栽培上采取适当的措施来提高植株光合能力，能够增加产量[16]。杂种优势利用是提高作物产量的最有效途径之一，杂交优势利用使杂交大豆单产得到大幅度提高[2]。杂交大豆叶片净光合速率和表观叶肉导度的生育期变化呈单峰曲线，随着生育进程，结荚盛期净光合速率达到最高，然后逐渐降低，成熟期降至最低，叶片气孔导度随着生育进程推进，其气孔导度呈下降趋势，与净光合速率变化趋势不完全一致，但生育前期净光合速率和气孔导度较高，有利于植物的光合产物的积累，促进植株营养生长。叶片气孔导度与叶片净光合速率关系较为密切，气孔导度的增加则有利于空气中CO2进入叶片，叶片净光合速率与大气和叶绿体内的CO2浓度差成正比，与大气到叶绿体内的总阻力则成反比，所有能够增加大气和叶绿体内CO2浓度差和减少CO2扩散阻力的因素都能够促进CO2流通，从而提高作物叶片净光合速率，维持叶片较高的碳同化水平[17]。杂交大豆叶片气孔导度和蒸腾速率变化呈现出随着品种生育期的推进，叶片气孔导度和蒸腾速率逐渐降低，在苗期达到最高，成熟期降至最低，随着植株由营养生长进入生殖生长，叶片蒸腾速率逐渐下降，这与其气孔导度的变化趋势是基本上一致的。大量研究表明[18，19]水分散失对气孔开度的依赖大于光合作用，气孔开度减小，蒸腾速率将大幅下降，在降低水分消耗约30%时，光合作用下降不显著，甚至不下降或者还高于供水充足的植株。杂交大豆叶片的水分利用效率变化呈现出随着杂交大豆品种生育期的推进，叶片水分利用效率逐渐增加，在苗期叶片水分利用效率低，在生育后期水分利用效率较高，这可能与生育后期物质运输密切相关，有利于干物质的积累。

本研究结果表明，杂交大豆在结荚盛期具有较高的净光合速率，在整个生育期，净光合速率与气孔导度的变化趋势不完全一致， 生育前期净光合速率和气孔导度较高，气孔导度与蒸腾速率的变化趋势相似，随着生育期推进，生育后期水分利用效率较高，有利于光合产物的积累。

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作者简介：孙禹，吉林农业大学园艺学院，2012级在读硕士研究生，研究方向：大豆生理研究；

气体交换 篇4

1 气体同位素交换技术的分类

1.1 原理

气体同位素交换法是一种准确研究气-固、气-液反应动力学的方法。在体系处于一种化学平衡的状态下, 气体分子中的同位素元素发生交换, 同时气相质谱仪在线监测反应过程中气体浓度的变化, 通过解析反应的动力学方程获得反应速率常数[4,5,6]。在冶金反应过程中, 界面化学反应及扩散传质反应同时存在, 并且相互影响[7,8]。在化学反应平衡状态下发生的同位素交换反应将排除界面化学反应、物质扩散传质相互影响的干扰, 这是由于与体系化学状态相关的参数将不发生变化, 某些与化学位相关的过程如扩散将停止[4,5,9]。气体同位素交换法得到的是瞬态下的反应速率常数, 其他研究方法只能获得平均反应速率常数, 这种方法得到的实验结果更准确。目前应用比较广泛的同位素气体有18 O2[10,11]、C18 O2[12,13]、14CO2[14,15,16,17,18,19,20,21]、13CO2[22,23,24,25,26,27]、30 N2[28,29,30,31]等。

1.2 分类

(1) 碳同位素交换反应

同位素交换反应如下[15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]:

该反应可分解成如下两个反应:

其中:“*C”表示同位素13 C或14 C, 两者的反应机理类似。具体的同位素交换反应过程参见图1。

(2) 氧同位素交换反应

CO2-CO气体与铁氧化物的反应包含氧参加的界面化学反应以及氧在相内的迁移过程, 这两个部分同时进行。氧同位素交换法可以通过18 O的迁移实现对这两个过程同时研究, 其反应过程如下[12,13]:

(1) 气相中的C16 O2、C18 O2和C16 O18 O通过气相边界层到达铁氧化物的表面, 在气-铁氧化物边界发生物理吸附和化学吸附:

(2) 吸附的CO2在界面处发生解离反应:

(3) 解离出的部分18 O在铁氧化物相内的迁移:

(3) 氮同位素交换反应

氮同位素交换反应表示如下[29,30,31,32]:

其可分为以下3个反应式:

2 各类气体同位素交换反应的动力学

2.1 碳同位素交换反应

同位素交换反应总的反应速率可以用*CO2的减少速率或*CO的生成速率来确定, 表示如下[15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]:

式中:n*CO2和n*CO分别为*CO2和*CO的物质的量, A为反应界面面积, k1和k2分别为CO2的分解和生成反应速度常数, P*CO2和P*CO为*CO2和*CO的气体分压, aO为熔渣中氧的活度。

13CO2-CO气体组分下的CO2的分解速率常数计算公式如下[22,23,24,25,26,27]:

14CO2-CO气体组分下的CO2的分解速率常数计算公式如下[14,15,16,17,18,19,20,21]:

式中:、A、B等的物理意义与式 (16) 中相同;N表示通入CO2的计数率, N′表示排出CO2的计数率。

2.2 氧同位素交换反应

研究者的实验结果表明, CO2-CO气体与铁氧化物反应的限制性步骤是CO2的解离反应, Hu等[12,13]用以下方程式计算氧交换反应速率:

式中:表示CO2、CO的气体流速, in和out分别表示原始气体和反应气体, P0为标准大气压, T为标准状态下的温度 (273K) 。

他们还通过一系列动力学公式的换算, 得到以下表达式:

式中:C1、C2、λ1、λ2分别为Hu定义的参数。C1表示开始时氧交换反应速率, 即为最大反应速率, 可以由t=0时计算得到。而C2、λ1、λ2可分别通过实验数据拟合获得, 这样通过上述公式就可以得到反应速率常数k1、k2以及传质系数k3。图2是典型的用氧同位素交换法研究CO2-CO与铁氧化物的反应动力学曲线图。

2.3 氮同位素交换反应

氮同位素气体主要用来研究氮与铁液、合金及熔渣的溶解反应动力学。研究表明[29,31], 氮在含铁熔渣中的溶解反应满足以下关系:

式中:v表示溶解速率;m为含同位素气体的N2的溶解反应级数;k和PN2分别表示反应速率常数及N2分压。

则同位素交换反应速率可以由30 N2的减少或者29 N2的增加速率来表示:

30 N2-N2气体组分下的N2的溶解速率常数计算公式如下[29,30,31,32]:

式中:A为表面积;30 F、30 Feq分别为反应气体中30 N2的含量及反应平衡时的含量;为气体总流速;T为反应温度;30 Fi和30 Ft分别表示初始和t时刻反应气体中30 N2的含量。

3 碳、氧同位素交换反应在冶金反应机理研究中的应用

3.1 含铁氧化物熔渣

Grabke最早将碳同位素交换技术应用到冶金领域, 研究氧在金属[14,17]、氧化物[15]、石墨[16]表面的氧迁移。随后Belton[7,18,20]将其应用到CO2-CO与熔渣的反应动力学的研究。近年来该技术被广泛用来研究、测定CO2-CO与铁氧化物的氧化还原反应速率常数, 主要包括用13C或14C同位素交换法研究CO2-CO气体与固态铁氧化物[24,25,26,27]、含铁氧化物熔渣的反应动力学。

Barati等[32]、Sasaki等[33]用电荷迁移模型研究了CO2-CO与含铁氧化物熔渣的反应动力学。CO2-CO与熔渣的总反应可以用以下离子形式表示:

这个反应的反应机理由基元步骤组成, 包括CO2在熔渣表面的吸附、电荷迁移、带电自由基的解离以及CO气体解吸至气相等步骤, 具体的示意图如图3所示。

Hu等[12,13]用氧同位素交换法研究了含铁氧化物熔渣的反应动力学, 反应机理及动力学模型在前面已有介绍。

3.2 铁水脱C反应

Fruehan等[8]、Sain等[7]用碳同位素交换法研究了CO2在铁水表面的脱碳反应动力学。Fruehan等[8]认为脱碳反应的限制性环节是气相传质;Sain等通过控制气体流速来降低气相传质的影响, 认为反应的控速环节是CO2的解离反应。Mannion和Fruehan[34]在Sain等研究的基础上也认为CO2在Fe-Ni合金中的脱碳反应的控速环节是CO2的解离反应。

3.3 铁合金中N溶解反应

在炼钢过程中, 空气中的N2极易溶解进入钢液中, 从而影响钢材的性能。因此, 许多研究者就氮在铁合金液中的溶解反应进行了研究。为了研究氮溶解反应机理, 引入了氮同位素交换法。

Byrne等[28]率先用氮同位素交换法研究氮溶解反应。通过考察Fe-C和Fe-S体系中的氮溶解反应, 获得了氮溶解反应速率常数, 并发现在Fe-C体系中反应速率常数的大小不受碳浓度 (体系中的碳浓度小于4.3%) 的影响。Glaws等[29]的研究表明, 在Fe-C-S体系中N2溶解反应的限制性环节是N2解离反应, 同时也验证了反应速率常数不受碳浓度影响的观点。Kobayashi等[31]研究了N2在含铁熔渣中的溶解反应, 实验结果证明了溶解反应满足一级反应动力学。

4 结语

《发生在肺内气体交换》说课稿 篇5

教学目标：

(一)知识目标：

1、说出气体交换的原理。

2、通过测量胸围差，该书费与外界的气体交换过程。

3、通过资料分析等概述肺泡与血液的气体交换过程。

(二)能力目标：

1、通过测量胸围差，培养学生动手能力、与人合作能力、科学探究能力和归纳总结能力。

2、能动手操作本节实验，并对实验现象进行分析，得出结论。

(二)情感目标：通过了解自己的胸围差，是学生能对自己的肺部呼吸功能有初步的了解，从而认识到体育锻炼对呼吸系统有好处。

教学重点：

1、肺与外界的气体交换。

2、肺泡与血液的`气体交换。

3、通过测定胸围差，培养学生的动手实验能力、互助合作精神。

4、通过对资料的分析和观察演示实验，培养学生归纳概括、观察、总结能力。

教学难点：

1、正确掌握测量胸围差的方法。

2、通过模拟实验，找出胸廓容积的变化与呼吸的关系。

3、分析设计对照实验的目的。

教学方法：实验法、综合法、讲解法

教学安排：2课时

教学准备：软尺、模型

教学过程：

过程教师活动学生活动肺与外界的气体交换让学生用手按住胸部两侧，深深吸气，在呼气，感觉胸廓变化?肋骨是怎样运动的?用什么方法来验证呢?

演示模型：膈肌的收缩、舒张使胸腔上、下径发生变化。学生做深呼吸，说出自己的感觉，学生参照课文中的实验方案，分组实验

1、你的胸围差明显吗?同年龄同性别的同学胸围差有差别吗?如果有原因是什么?

2、胸围差能完全代表胸腔容积吗?除胸廓前后径、座幽静的变化外，还可能有什么变化影响胸廓容积?让学生说出肋间肌和膈肌是如何运动的?胸廓容积是如何变化的?肺泡与血液的气体交换引导学生：走到饭店附近为什么就能闻到饭菜的香味呢?教师及时点评，并展示挂图，引导学生说出氧气、二氧化碳的扩散过程。根据学生回答引出气体扩散的原理。让学生带着问题分析资料：1、甲、乙两瓶石灰水的混浊程度不同说明了什么?2在实验装置中，为什么要设置甲瓶?