為什麼在高海拔, 每升高一百公尺覺得越喘許多, 氣壓下降卻比在低海拔升高一百公尺少?

為什麼在高海拔, 每升高一百公尺覺得越喘許多, 氣壓下降卻比在低海拔升高一百公尺少? 這題目有點長. 意思是說, 在高海拔, 再爬升一百公尺的氣壓下降比較少; 在低海拔, 再爬升一百公尺的氣壓下降比較多; 這個事實跟我們的經驗感覺預期不同, 為什麼? 若忽略局部天氣因素, 隨著高度上升, 氣壓的變化率與氣壓本身成正比例, 所以得到氣壓是高度的指數函數. P = 760 ( e ^ -(a/7924) ) P：海拔為 a 公尺處的大氣壓 mmHg； e：自然對數的底； a：海拔 m； ^：代表指數, 符號左邊是底, 右邊是指數. (這裡假定海平面氣壓為760mmHg) 氣壓的變化率與氣壓本身成正比例, 所以在高海拔的氣壓隨高度的變化率比較少. 例如, 若海平面氣壓是 760 mmHg, 在海拔 1000 m 計算出來大約是 670 mmHg, 在 2000 m 是 591 mmHg, 3000 m 是 520 mmHg, 4000 m 是 460 mmHg. 每 1000 m 的氣壓下降依序是 90, 79, 71, 60 mmHg. 可是, 我們的經驗, 海拔 3000 m 以上再上升每一百公尺都 "很有感覺", 在較低海拔則不太有感覺, 為什麼? 因為: 1. 大氣壓下降與肺泡中的氧分壓下降之間的關係並非成正比. 2. 肺泡中的氧分壓下降與肺泡微血管中的血紅素含氧飽和度之間的關係不是線性的. 3. 動脈血氧飽和度與身體缺氧的感覺之間的關係也非線性. 其中 1. 2. 很值得去了解, 尤其要了解二氧化碳對氧分壓與氧飽和度之影響很大, 而呼吸換氣量直接關係到二氧化碳分壓, 因此, 呼吸換氣量對於高山病之預防關係極巨. (待續)

肺泡腔跟大氣是相通的, 那麼, 大氣壓下降時, 肺泡腔中氧分壓的下降為何不是跟著成比例? 因為肺泡腔與大氣的氣體組成不同. 空氣進入呼吸道, 首先會從呼吸道蒸發許多水蒸氣加進來, 在到達肺泡之前水蒸氣就達到飽和. 乾燥空氣中氧佔百分之21. 體溫攝氏 37 度的飽和水蒸汽壓是 47 mmHg. 因此,空氣剛到達肺泡時, 其氧分壓等於:(大氣壓 - 47)*0.21 到達肺泡之後, 氧氣會被吸收, 二氧化碳會從微血管擴散到肺泡腔來, 稱作氣體交換. 氣體交換達成平衡之後的肺泡腔內氧分壓大約等於還沒氣體交換前的氧分壓再扣掉被吸收掉的氧. 但被吸收掉多少氧不好算, 差不多就等於加進來的二氧化碳除以 "呼吸商". 通常加進來的二氧化碳比被吸收掉的氧氣少, 其比值稱作 "呼吸商" (以 Q 代表, 通常大約 = 0.8). Q與飲食的脂肪含量有關, 因為脂肪燃燒時, 一部分氧與碳形成二氧化碳, 另一部分與氫形成水, 所以有些氧的消耗並不產生二氧化碳, 這時候 Q 小於 1. 若飲食全部為醣類, 所有消耗的氧都會產生二氧化碳, Q 接近 1. 氣體交換平衡時, 肺泡腔, 肺泡微血管, 體動脈血三者之二氧化碳分壓大約一致. 因此: 肺泡氧分壓 = (大氣壓 - 47)*0.21 - (動脈二氧化碳分壓 / Q) 這個式子看起來, 肺泡氧分壓與大氣壓的關係雖是線性, 卻不是成正比. 當大氣壓很低時, 二氧化碳分壓就會有很舉足輕重的影響. 在海平面, 健康人動脈血的二氧化碳分壓 = 40 (+- 2) mmHg. 在高海拔, 高度適應會使二氧化碳分壓降低. 舉例算算看便知, 以下是一些計算結果 (設 Q = 0.8): 若二氧化碳分壓 = 40 mmHg, 海拔 0 1000 2000 3000 4000 大氣壓 760 670 591 520 460 肺泡氧分壓 99.7 80.8 64.2 49.3 36.7 請注意: 海拔 4000 m 處的大氣壓大約是海平面的 0.6 倍, 但肺泡氧分壓卻只有海平面的 0.37 倍. 這是未經高度適應的結果. 如果二氧化碳分壓下降到 30 mmHg 計算起來會如何: 海拔 0 1000 2000 3000 4000 大氣壓 760 670 591 520 460 肺泡氧分壓 112 93.3 76.7 61.8 49.2 這時候, 海拔 4000 m 處的肺泡氧分壓已經提升到海平面正常情況(99.7)的0.49倍. 尤有進者, 當二氧化碳分壓下降到 30 mmHg 時, 在海拔 4000 m 處的動脈血氧飽和度可以提升到 87 % 左右 (海平面大約 97 %). 為何肺泡氧分壓是海平面的一半, 血氧飽和度卻將近海平面的九成? 這是因為氧分壓與血氧飽和度的關係不是線性的(下回說明). 若二氧化碳沒有減少, 仍維持 40 mmHg, 在 4000 m 處肺泡氧分壓 = 36.7, 這時候血氧飽和度是 69 %. 血氧飽和度低於 80 % 時高山病機會會大增. 如何降低血中二氧化碳分壓? 方法就是增加換氣量, 或稱通氣量, 也就是每單位時間進出呼吸道的空氣體積. 因為大氣中幾乎不含二氧化碳, 呼吸之間, 吸氣時沒有吸進來二氧化碳, 呼氣時有呼出去二氧化碳, 結果便是淨輸出. (待續)

關於氧分壓、血氧飽和度、含氧量這些名詞的說明請參考： http://www.mountain.org.tw/WebBBS/Message/One.aspx?MessageID=14894 氧分壓越高則血氧飽和度越高。當然血氧飽和度不可能超過百分之百。若一個人動脈血已經達百分之百氧飽和度，那麼他再吸更多更濃的氧氣也不會提升其動脈血氧飽和度與氧含量。 在海平面，健康人呼吸自然空氣時，肺泡氧分壓大約是99.7mmHg，動脈氧飽和度大約是97%；若使用氧氣鼻管，肺泡氧分壓可達200-300mmHg，動脈氧飽和度卻幾乎沒有增加。顯而易見的，氧分壓與血氧飽和度之間並非線性關係。 血氧飽和度是血紅素氧飽和度之簡稱。氧分壓與血紅素氧飽和度的關係畫成曲線，稱作「氧-血紅素解離曲線」，如附圖。 但請注意，這曲線所顯示二者之關係要成立有個先決條件：必須氣體與血液之間氧濃度達成平衡。有些情況會使得平衡不易達成或無法達成，這在下回說明。 欲從「氧-血紅素解離曲線」來得到觀念性的了解，以幫助預防高山病，必須從「定量」入手，也就是實際計算一些數字，從數字得到觀念。 有個網站：　http://www.ventworld.com/resources/oxydisso/dissoc.html　提供了線上計算的工具。 列一些計算的數據： ［一］若二氧化碳分壓 = 40 mmHg 海拔 　 0 1000 2000 3000 4000 5000 大氣壓 760 670 591 520 460 404 肺泡氧分壓 99.7 80.8 64.2 49.3 36.7 25 血氧飽和度 97.7 95.9 92.6 80.4 69.1 45.8 ［二］若二氧化碳分壓下降到 30 mmHg 海拔 0 1000 2000 3000 4000 5000 大氣壓 760 670 591 520 460 404 肺泡氧分壓 112 93.3 76.7 61.8 49.2 37.5 血氧飽和度 98.2 97.5 96.0 93.1 89.1 77.6 以海拔5000 m 為例，大氣壓是海平面的 0.53 倍，若肺泡的（也就是動脈的）二氧化碳分壓維持海平面相同的正常值 40 mmHg，則肺泡氧分壓卻降到 25，差不多是海平面的四分之一，而肺泡微血管的血氧飽和度是 45%，海平面的一半少一點；若肺泡的二氧化碳分壓降到 30 mmHg，則肺泡氧分壓提高到 37.5，海平面的三分之一強，但血氧飽和度可大大提升到 77.6%，將近海平面的八成。 從這些數值計算得到的最重要觀念是：降低動脈的二氧化碳分壓可大大提升血氧飽和度！ 降低動脈二氧化碳分壓的方法就是增加通氣量，也就是增加每分鐘進出呼吸道的氣體體積。 （嚴格說，是增加「有效通氣量」，也就是每分鐘進出肺泡的氣體體積，也就是通氣量再扣掉鼻腔，氣管，支氣管與較粗的細支氣管這些沒有氣體交換功能的呼吸道所佔的體積。） (待續)

這個討論串的前三篇都是為了說明 "增加呼吸通氣量以減少體內二氧化碳" "減少體內二氧化碳可以大大提升血氧飽和度, 進而預防高山病" 這件事的道理. 第四篇要說明的是 "為何在高海拔運動會使血氧飽和度降低, 進而誘發高山病", 以及 "為何體力好不會減少高山病機會". 在第三篇有提到：氧-血紅素解離曲線所顯示氧分壓與血氧飽和度二者之關係要成立有個先決條件，必須氣體與血液之間氧濃度達成平衡。有些情況會使得平衡不易達成或無法達成。 如果平衡沒達成，血氧飽和度會比預期來得低。 是否達成平衡的關鍵，在於氧從肺泡腔擴散到微血管的紅血球內的速率，以及紅血球通過肺泡微血管的時間長短。 物質從高濃度區域擴散到低濃度區域，在定溫之下遵守一個定律：費克定律（Fick's Law）。這個定律指出：物質擴散的通量（單位時間通過等濃度面單位面積的該物質的數量）與該物質在該處的濃度梯度成正比。大意就是說，濃度差異越大，擴散起來越快；濃度差異越小，則擴散越慢，也就越慢達成平衡。 前面我們有計算，在海平面，肺泡氧分壓大約是 100 mmHg；如果沒增加換氣，二氧化碳沒降低，仍維持在 40 mmHg，那麼在海拔 3000 公尺處肺泡氧分壓大約是 50 mmHg，在海拔 5000 公尺處大約是 25 mmHg。如果增加換氣，使二氧化碳降低到 30 mmHg，在海拔 3000 公尺處肺泡氧分壓大約是 62 mmHg，在海拔 5000 公尺處大約是 37.5 mmHg。 可以看出，在高海拔，肺泡的氧濃度與肺動脈送過來的缺氧血的氧濃度之間差異，將比在低海拔降低許多，因為肺泡氧分壓在不同海拔變化很大而缺氧血的氧濃度在不同海拔變化有限。肺泡腔到微血管之間的距離則大約固定不變。濃度差除以距離就是平均濃度梯度。因此，在高海拔，氧從肺泡擴散進入微血管的速率（通量）會比在低海拔慢很多。 在海平面，肺泡腔與微血管的紅血球之間達成氧濃度平衡大約需時 0.2 秒。 人休息狀態下，一顆紅血球通過肺泡微血管所需的時間大約 0.7 秒。 人運動時血流速率可以提高到休息時的三或四倍左右。 （總血流量等於一次心臟收縮的搏出量乘以心跳速率，而微血管總截面積大約固定不變。） 因此，在海平面健康人可說沒有達不成平衡的問題。 在高海拔，肺泡腔與微血管的紅血球之間達成氧濃度平衡所需時間延長。例如在三千公尺高處，可能需時 0.4 或 0.5 秒左右。休息時尚可以來得及讓氧濃度達成平衡；激烈運動時，例如負重上坡，如果心跳速率達到休息時的兩倍，就有可能讓紅血球來不及達成與肺泡的氧濃度平衡。這現象在更高的海拔會更明顯。在五千米高處，肺泡腔與微血管的紅血球之間達成氧濃度平衡可能需時 0.6 或 0.7 秒。這時候只要輕度運動就可能造成這種來不及達成氧濃度平衡情況，也就是紅血球來不及吸收它該吸收的氧，就已經離開肺泡了。 這種現象，在體力不好的人如此，在體力好的人也一樣。甚至，體力好的人會背比較重，運動量更大，也許血流速率更快，更容易發生這種現象，而使血氧飽和度降低，而發生高山病。也許這可以解釋為什麼高山病似乎常常發生在體力不錯的人身上，尤其當嚮導或領隊的人。