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順應性、彈性阻力,以及表面活性物質為何重要

肺有多「好拉伸」,這又為什麼重要?順應性衡量肺充氣的難易程度。表面張力本會讓充氣難如登天——直到一種了不起的「肥皂樣」物質登場。

順應性:肺充氣有多容易

順應性回答一個問題:在一定的壓力推動下,肺容積變化了多少?高順應性的肺鬆軟、容易充氣,像吹鬆了的舊氣球;低順應性的肺僵硬、抗拒充氣,像全新的氣球。它的公式很簡單:容積的變化除以跨肺壓的變化。彈性阻力(彈性回縮)只是同一枚硬幣的另一面——肺回彈得有多強——所以僵硬的肺順應性低、彈性阻力高。

Compliance  C  =  ΔVolume  /  ΔPressure        (units: mL per cmH2O)
Elastance   E  =  1 / C   (stiff lung -> high E)

Healthy lung:    add 5 cmH2O of transpulmonary pressure -> +1000 mL
                 C = 1000 / 5  = 200 mL/cmH2O   (easy to fill)

Fibrotic lung:   same 5 cmH2O of pressure        -> +250 mL
                 C = 250 / 5   =  50 mL/cmH2O    (stiff, hard to fill)
順應性是每單位壓力所獲得的容積。僵硬、低順應性的肺要吸入同樣的氣,需要費力得多。

潛藏的對手:表面張力

有件事會讓人意外:肺的回縮力大部分根本不來自彈性纖維,而來自水。每個肺泡內壁都覆著一層濕膜,水分子彼此吸引,形成表面張力,把彎曲的液面往裡拉——正是讓肥皂泡想要收縮的那股力。數以億計的微小濕球加在一起,這股向內的拉力極其巨大,與你的每一次呼吸為敵。

更深一層的危險也在這裡。支配氣泡的物理定律告訴我們:在相同張力下,越小的球產生的壓力越高。於是小肺泡會傾向於把氣排進相鄰較大的肺泡裡,自己塌癟。若任其發展,肺會變成少數幾個巨大氣囊加上大量塌陷氣囊的混亂局面——對氣體交換毫無用處。

表面活性物質出手相救

肺給出的對策是表面活性物質——一種由分布在肺泡內壁的II 型肺泡細胞分泌的「肥皂樣」脂質與蛋白混合物。表面活性物質鑽進水分子之間,打散它們的相互吸引,大幅降低表面張力。效果有兩重:它讓肺遠比原來容易充氣(提高順應性),並且能巧妙地自我調節。當肺泡縮小時,表面活性物質分子彼此擠近,反而把這個小肺泡的張力壓得更低,於是大小肺泡趨於平衡,而不會互相塌併。