軀體的智慧 · 第十一章 血液中性的穩態

I 在前一章我曾重複地提到了乳酸，還有二氧化碳(在水溶液中成為碳酸)這些作為肌肉活動時必然隨之而來的產物的形成過程。磷酸和硫酸在體內的產生也與此類似，是從蛋白食物所含的磷和硫氧化而成的。在某種病態條件下，具有特殊性質的酸性物質可以出現。另一方面，特別在攝取植物性食物時，鈉、鉀、鈣這一類鹼根被大量攝入，或者機體通過酸性胃液的分泌血暫時失酸，從而導致血液趨鹼。血液不發生過酸或過鹼的變化，這一點對細胞生存和保持本身固有機能來說具有頭等的重要性。 血液的「反應」 [1] 可通過血漿氫(H)離子濃度來測定。氫離子是一個帶有電荷的氫原子。水中加入鹽酸(HCI)時水即變為酸性，因為HCl解體亦即解離為組成離子——氫和氯。其酸性程度取決於溶液中氫離子數量。與此類似，一個溶液的鹼度決定於氫(H)和氧(O)這兩種結合元素的濃度，它們帶有電荷，構成所謂「氫氧離子」(OH)。純的蒸餾水(H2O)輕度解離為H和OH離子，這二者數量必是相等的。純水之被視為中性，並非其中不存在酸或鹼性物質，而是由於二者的含量相等。在22℃時，一千萬公升純水中含有l克重量的離子氫，或者說它的氫離子濃度為一千萬分之一，此濃度也可用1/107，或10-7來表示。純水中氫氧離子濃度也同樣是10-7。事實上，人們發現在任何水溶液中這兩個負指數的乘積恆為-14。現在通常都避免用這種負指數的數字，而用pH=7這種寫法來表示中性。如氫離子濃度為10-6，則氫氧離子濃度為10-8，溶液為酸性。反之，則自然是鹼性。如指數小於7，說明H離子占優勢，反應為酸性；如數字大於7，說明OH離子過剩，反應為鹼性。 II 血液中OH離子濃度較H離子濃度稍高，其指數的冪值約為pH7.4。離開這個中性稍偏鹼的反應，哪怕是很微小的變動都是危險的。如氫離子濃度升高，此數字僅僅變化到6．95(即剛越過中性界限到酸性範圍)即可導致昏迷和死亡。而如果氫離子濃度下降，使鹼度僅由pH7.4增加到pH7.7，即可導致強直性驚厥。當pH由7.4變為7.0時，可看到狗的心率由每分鐘75次減少為50次，而當這個變動移向鹼性方向(由pH7.0到pH7.8)時，心率可由每分鐘30次增加到85次。如超越這兩個界限，即導致嚴重後果；心臟在過酸的液體中鬆弛而停止搏動，在過鹼的液體中也要停止搏動，只不過通常是在收縮期中停止搏動的。 對說明血液化學反應的改變所帶來的非常嚴重的危險來說，這些只是許多事實中很少的幾個例子而已。在很窄的變動範圍內，神經系統完善地行使機能，因而心臟不停地搏動著。對於健康人而言，正常(酸鹼)反應的變動不會超出狹小的界限之外以致使機體活動遭受損害或危及其生存。在其沒有達到這種極端的地步之前，一些裝置就自動地發揮作用，使受干擾的狀態恢復正常。 血液的(酸鹼)反應儘管受到種種條件使之作不同傾向的變動，但仍能緊密地保持中性，對這種機制，要作出完善的說明，就需要對所涉及的物理化學過程作深入而詳細的考察。我們將只考慮這個機制的比較簡單的幾個方面。 III 溶於血漿中的一種化合物是由以下化學元素組成的，即鈉(Na)、氫(H)、碳(C)和氧(O)，其中氧有三個原子。這種化合物(NaHCO3)就是日常食用的小蘇打，在化學上稱為碳酸氫鈉。同樣存在於血漿中的還有碳酸。碳酸的化學符號是H2CO3，它是由二氧化碳(CO2)溶予水(H2O)而成。血液的(酸鹼)反應決定於血漿中H2CO3與NaHCO3的關係——碳酸供給氫離子，而碳酸氫鈉則在鈉的作用下供給氫氧離子。在機體運動中如碳酸增加，則血漿趨向酸性。它也可通過減少碳酸的方法而趨向鹼性。例如，我們進行1—2分鐘過度的、隨意的、深而快的呼吸，就能降低肺泡中二氧化碳的濃度，從而使其擴散壓下降。這就減少了血液中二氧化碳向肺移動的擴散壓的阻力，而使更多的CO2排出，此過程因過度呼吸所產生肺泡內氧濃度的相對增高而得到促進。在生理學者自身的實驗中，這種使血液傾向鹼性的做法曾達到幾乎引起驚厥的程度。 如將一種非揮發性酸，諸如鹽酸(HCl)或乳酸(可用HL這種符號來代表)，加入到血液中，則可結合碳酸氫鈉中的部分鈉而釋放出二氧化碳，如下列化學方程式所表示： HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2或HL+NaHCO3=NaL+H2O+CO2 NaCl是普通的食用鹽，一種中性、無害的物質。H2O和CO2組成人所周知的揮發性碳酸。如加入HCl或HL這一類強酸，則由於碳酸的增加必然會使血液暫時傾向於酸性。但我們已知道，由於CO2的增加刺激呼吸中樞而造成肺換氣的加快，從而迅速排出過多的酸——包括如上式中由NaHCO3置換生成的以及因NaHCO3減少而多餘下來的酸。一旦過多的二氧化碳被排出，H2CO3與NaHCO3二者的比例就逐漸恢復正常狀態，血液恢復到正常(酸鹼)反應，深度呼吸也就隨之消失。 我們已知，在劇烈的肌肉活動中可產生大量乳酸，以致這時沒有足夠的氧將其氧化為碳酸。如乳酸從肌肉細胞進入血液中，則首先通過已提到的途徑得到處理，即形成中性的乳酸鈉。肌細胞中殘存的乳酸也同樣被游離鹼所中和。但這種情況是有限度的，只有把乳酸鹽氧化為碳酸和水才能使這種情況得到進一步的解除。這裡有一個「氧債」有待償還。在過度的勞動停止後所吸入額外的氧首先被用來氧化肌肉中蓄積的乳酸鹽。經氧化後其濃度下降；於是血漿中的乳酸鹽緩慢地擴散回肌肉中，在那裡又繼續被氧化。氧化過程中CO2的產生，是機體在償還氧債後仍繼續維持深呼吸的原因。CO2部分被呼出，但部分仍存留血液中。在這裡它和乳酸鈉這個化合物氧化後所游離出來的鈉相結合。這樣，由於強度的肌肉工作而減少的血中碳酸氫鈉又恢復到其原有的正常濃度。 lV 在前幾節所敘述的情況下，血漿中碳酸氫鈉具有防止血液發生任何向酸性方面大幅度變化的作用。由於它有行使這種作用的能力而被稱為「緩衝」鹽。還有另一種緩衝鹽存在於血液、特別是在紅細胞中，即鹼性磷酸鈉(Na2HPO4)。當血液中增加酸性物質時，後者不僅被碳酸氫鈉，而且也同時被鹼性磷酸鈉所「緩衝」，如下式所示： Na2HPO4+HCl=NaH2PO4+NaCl 還應注意到這裡形成了普通的鹽(NaCl)，也同時產生了酸性(二氫)磷酸鈉。「鹼性」和「酸性」磷酸鈉二者剛好都是接近中性的物質。因此，在上式變化中，屬於強酸的鹽酸並未能由於把磷酸鹽從鹼性轉化為酸性而給血液的反應帶來重大的改變。但酸性磷酸鹽仍稍帶酸性，因而不能讓它在液床中蓄積過多。它和碳酸不同，是非揮發性的，故不能被呼出。腎臟在這裡能夠起到限制血液中酸鹼擺動的作用。 血漿中NaH2PO4與Na2HPO4的比例為1∶4。兩種鹽都在此比例下經過腎小球濾出。如前所述，組成鹽的鹼(例如Na)在血中含量較其所結合的酸根更為恆定。看來鹼的保留對機體是更為重要的條件。通過腎小管時磷酸氫二鈉轉化為酸性形式： Na2HPO4+H2O=Na+OH+NaH2PO4 其中Na這個鹼，在某種程度上以重碳酸鹽的形式重新被吸收，酸性磷酸鈉則被排出。通過腎小管中的這種變化，酸性與鹼性磷酸鹽二者的比例由原來的1∶4最後變成尿液中的9∶1，通過這種方式可排出多量的酸。無論何時只要血液中產生偏向酸性的傾向，機體就排出更多的酸性磷酸鹽而向鹼性方面校正其(酸鹼)反應。 如果血液中出現了大量非揮發性的——也就是不能呼出的酸，則會產生一種危險：血中鹽類所結合的鹼，特別是鈉，可通過腎被帶走而使機體失去鹼。在這種情況下，有趣的是，鹼性的氨(NH3)可代替鈉來中和酸。氨是有機物代謝形成的一種無用產物，通常被轉化為中性物質——尿素而被排出。只要一有丟失鈉、鈣、鉀等結合鹼的威脅，就形成氨鹽並排放到血液中，然後通過腎小球、經腎小管濾出。 V 如血液傾向於鹼性，則會出現前述作用的另一種變化形式。讓我們假設一種由劇痛或高溫的刺激而造成不正常的深而快的呼吸。從而使肺中氣體的二氧化碳百分率下降，其結果是，血中二氧化碳濃度減少。H2CO3/NaHCO3的比值下降，也就是說，反應進一步地傾向於鹼性方面。碳酸從呼吸中樞組織自行逸出，其結果缺少了一種引起發向橫膈和其他呼吸肌的神經衝動的刺激。在這種情況下呼吸動作可暫時全部停止。但由於缺乏呼吸作用，體內搏動的心臟和其他持續活動的器官所不斷產生出來的二氧化碳就在血中蓄積，直到H2CO3/NaHCO3的比值恢復正常，在這基礎上肺的節律性換氣過程又重新開始。如果血液的(酸鹼)反應有時傾向於鹼性，則機體排出鹼性磷酸鈉及其他鹼性鹽(多半不包括氨鹽)直到中性得以確保為止。 我們已看到血液化學反應的改變會帶來多麼災難性的後果。在這裡，液床的穩態是極其迫切的需要。在氫離子濃度危險的增高和幾乎同樣危險的反方向變化之間所存在的精確平衡，主要靠腦部呼吸中樞高度的敏感性來維持。與此中樞作用相配合的，是血液本身所具有的高效能的緩衝鹽，它能緩和酸性的血液所造成的最初衝擊。腎臟則能防止非揮發性酸或鹼性鹽的蓄積，但它發揮作用的速度比較遲緩。我們可以把這些裝置想像為時刻不離崗位的哨兵，隨時準備對情況變化的最初徵兆採取行動，以防止接近中性的血液正常的穩定狀態發生有害的改變。 參考文獻 Henderson．Blood．New Haven，1928． * * * [1] 「反應」Reaction實際就是通常所說的酸鹼度。——譯者