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.
ไทย
ถุงลมเป็นพื้นผิวที่ดีเยี่ยมสำหรับการแลกเปลี่ยนแก๊ส เพราะมี:
- พื้นที่ผิวรวม非常大 (ถุงลมเล็กๆ ล้านๆ ถุง),
- ผนังบางมาก — เยื่อบุแบบแบนของถุงลมและผนังหลอดเลือดฝอยมี thickness เพียงหนึ่งเซลล์เท่านั้น ดังนั้นระยะทางที่ต้องข้ามจึงน้อยมาก,
- การไหลเวียนเลือดที่อุดมสมบูรณ์จากเครือข่ายหลอดเลือดฝอย,
- เยื่อบุที่มีความชื้น ทำให้แก๊สละลายก่อนจะข้ามผ่าน
แก๊สเคลื่อนที่โดย การแพร่ ตาม ** gradien ความเข้มข้น** ของมัน:
- ออกซิเจน มีความเข้มข้นสูงในอากาศของถุงลมและความเข้มข้นต่ำในเลือด ดังนั้นมันจึงแพร่จากอากาศเข้าสู่เลือด
- คาร์บอนไดออกไซด์ มีความเข้มข้นสูงในเลือดและความเข้มข้นต่ำในอากาศของถุงลม ดังนั้นมันจึงแพร่จากเลือดเข้าสู่อากาศเพื่อถูกหายใจออก
*ข้ามผนังบางและมีความชื้น ออกซิเจนแพร่เข้าสู่เลือด และคาร์บอนไดออกไซด์แพร่ออก
ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เนื้อเยื่อปอดจริงดูเหมือนลูกไม้สีชมพูละเอียด ruangเปิดจำนวนมากคือถุงลม และเส้นสีชมพูบางๆ ระหว่าง它们是 walls发生 gas exchange:
*เนื้อเยื่อปอดจริงที่ถูกย้อมสีสำหรับกล้องจุลทรรศน์: space เปิดคือถุงลม และผนังสีชมพูบางๆ คือตำแหน่งที่แก๊สข้าม; ทางเดินหายใจเล็กตั้งอยู่ตรงกลาง
การหายใจช่วยรักษาอากาศใหม่ไว้ในถุงลม และการไหลเวียนของเลือดช่วยขนย้ายแก๊สออกไปอย่างต่อเนื่อง ทั้งสองอย่างนี้ช่วยให้ gradien ความเข้มข้นยังคงชันไว้ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนแก๊สจึงยังคงรวดเร็ว
ตัวอย่างฝึกฝน. ใช้กฎของฟิคส์เพื่ออธิบายว่าทำไมถุงลมจึง允许的 gas exchange รวดเร็ว如此 กฎของฟิคส์กำหนดให้อัตราการแพร่แปรผันตรงกับ
$$\frac{\text{surface area} \times \text{concentration difference}}{\text{diffusion distance}}$$
ดังนั้นอัตราการที่รวดเร็วจำเป็นต้องมีทั้งสามพจน์ทำงานร่วมกัน พื้นที่ผิว: ถุงลมจำนวนล้านๆ Gives a huge total area, ประมาณ $70\ \text{m}^2$. ระยะทางในการแพร่: เยื่อบุของถุงลมและ endodermium ของหลอดเลือดฝอยแต่ละชั้นมี thickness เป็นเซลล์แบนเพียงชั้นเดียว ดังนั้นออกซิเจนจึงข้ามได้ในเวลาต่ำกว่า $1\ \mu\text{m}$. ความแตกต่างของความเข้มข้น: Ventilation refreshes อากาศอย่างต่อเนื่อง tandis que circulation ขนย้ายเลือดที่อิ่มตัวด้วยออกซิเจนออกไปอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น gradien ที่ชันจะถูกคงไว้ เชื่อมโยงการปรับตัวแต่ละอย่างเข้ากับ พจน์ของสมการ ที่มันสนับสนุน - การระบุ "พื้นที่ผิวใหญ่ ผนังบาง การไหลเวียนเลือดดี" โดยไม่เชื่อมโยงกับกฎของฟิคส์จะเป็นคำตอบที่ weaker