English
The alveoli are excellent surfaces for exchanging gases, because they have:
- a very large total surface area (millions of tiny sacs),
- very thin walls — the squamous epithelium of the alveolus and the capillary wall are each only one cell thick, so the distance to cross is tiny,
- a rich blood supply from the capillary network,
- a moist lining, so gases dissolve before crossing.
Gases move by diffusion 扩散 down their concentration gradients 浓度梯度:
- oxygen 氧气 is at a high concentration in the alveolar air and a low concentration in the blood, so it diffuses from the air into the blood.
- carbon dioxide 二氧化碳 is at a high concentration in the blood and a low concentration in the alveolar air, so it diffuses from the blood into the air to be breathed out.
Under the microscope, real lung tissue looks like a fine pink lace. The many open spaces are the alveoli, and the thin pink lines between them are the walls where gas exchange happens:
Breathing keeps fresh air in the alveoli, and the flowing blood keeps carrying gases away. Both of these keep the concentration gradients steep, so gas exchange stays fast.
Worked example. Use Fick's law to explain why the alveoli allow such rapid gas exchange. Fick's law makes the rate of diffusion proportional to
$$\frac{\text{surface area} \times \text{concentration difference}}{\text{diffusion distance}}$$
so a fast rate needs all three terms working for it. Surface area: millions of alveoli give a huge total area, roughly $70\ \text{m}^2$. Diffusion distance: the alveolar epithelium and the capillary endothelium are each one flattened cell thick, so oxygen crosses in under $1\ \mu\text{m}$. Concentration difference: ventilation constantly refreshes the air while the circulation constantly carries oxygenated blood away, so a steep gradient is maintained. Tie each adaptation to the term of the equation it serves - listing "big surface area, thin walls, good blood supply" without linking them to Fick's law is the weaker answer.
עברית
לאלВЕולים יש משטחים מצוינים להחלפת גזים, מכיוון שיש להם:
- פני שטח כוללים גדולים מאוד (מיליוני שקיות זעירות),
- קירות דקים מאוד — האפיתליום השטוח של האלВЕול והקיר הווקארי הם בעובי תא אחד בלבד, כך שהמרחק לחצייה הוא זעיר,
- אספקת דם עשירה מהרשת הווקארית,
- ריכוב לח, כך שגזים מתמוססים לפני החצייה.
גזים נעים באמצעות דיפוזיה לאורך שיפולי ריכוזם:
- חמצן נמצא בריכוז גבוה באוויר האלВЕולי ונמוך בדם, ולכן הוא דופז מאוויר לתוך הדם.
- פחמן די-אוקסיד נמצא בריכוז גבוה בדם ונמוך באוויר האלVEולי, ולכן הוא דופז מהדם לתוך האוויר כדי להתנשף.
*דרך הקיר הדק והלח, חמצן דופז לתוך הדם ופחמן די-אוקסיד דופז החוצה
תחת המיקרוסקופ, רקמת ריאה אמיתית נראית כמו תחרת ורודה עדינה. החללים הפתוחים הרבים הם האלVEולים, והקווים הוורודים הדקים ביניהם הם הקירות שבהם מתרחשת החלפת הגזים:
*רקמת ריאה אמיתית צבועה למיקרוסקופ: החללים הפתוחים הם אלVEולים והקווים הוורודים הדקים הם מקום מעבר הגזים; ערוף אוויר קטן יושב במרכז
נשימה שומרת על אוויר טרי באלVEולים, והזרימה הדרומית ממשיכה להרחיק גזים. שתי פעולות אלו שומרות על שיפולי הריכוז תלולים, כך שהחלפת הגזים נשארת מהירה.
דוגמה מפורטת. השתמש בחוק פיק כדי להסביר מדוע האלvéoli מאפשרים חילוף גזים מהיר כל כך. חוק פיק קובע שהקצב של התפשטות פרופורציונלי ל
$$\frac{\text{surface area} \times \text{concentration difference}}{\text{diffusion distance}}$$
ולכן קצב מהיר דורש שכל שלושת האיברים יפעלו לעדפתו. שטח פני: מיליוני אלvéoli מספקים שטח כולל עצום, בקרבת $70\ \text{m}^2$. מרחק התפשטות: האפיתליום האלvéולי והאנדותריום הקפילרי הם בעובי תא שטוח אחד כל אחד, ולכן החמצן עובר בתוך $1\ \mu\text{m}$. הפרש ריכוז: הנהיגה (Ventilation) מחודשת את האוויר באופן מתמיד, בעוד שהמערכת הדם נשאת את הדם המעושר בחמצן למרחקים, ולכן שיפוע תלול נשמר. קשר כל התאמה לאיבר במשוואה שהיא שומרת עליו – סדרת "שטח פני גדול, דפנות דקות, אספקת דם טובה" ללא קישור לחוק פיק היא תשובה חלשה יותר.