下列各種混合氣體，總壓力均為 760 mmHg ，除了以下所述成分以外，其餘皆為氮氣。當人體吸入何種混合氣體時，每分鐘總通氣量（ minute ventilation ）最大？

本題觀念：

本題考查呼吸生理學中呼吸控制（Control of Respiration）的核心機制，特別是化學受器（Chemoreceptors）對氧氣（$O_2$）和二氧化碳（$CO_2$）分壓變化的綜合反應。核心概念在於缺氧（Hypoxia）與高碳酸血症（Hypercapnia）同時存在時，對呼吸中樞的刺激具有協同作用（Synergistic effect），也就是兩者加總的刺激效果大於單獨刺激效果的總和。

選項分析

• 選項 A (21％氧氣＋ 0.05％二氧化碳)：

  • 這是接近正常大氣的組成（海平面大氣約含 21% $O_2$ 和 0.04% $CO_2$）。
  • 在此條件下，動脈血氧分壓（$PaO_2$）和二氧化碳分壓（$PaCO_2$）維持在正常生理範圍。呼吸驅動力（Respiratory drive）處於基礎狀態，通氣量（Minute ventilation）最低。

• 選項 B (5％氧氣＋ 0.05％二氧化碳)：

  • 此氣體混合物含有極低的氧氣（5% $O_2$ 約等於 $PO_2$ 38 mmHg）和正常的二氧化碳。
  • 這會造成嚴重的低氧血症（Hypoxia）。低氧主要刺激周邊化學受器（Peripheral chemoreceptors，位於頸動脈體和主動脈體），進而增加通氣量。
  • 雖然低氧是強烈的刺激，但若缺乏高二氧化碳的協同刺激，且過度換氣可能導致體內 $CO_2$ 排出過多而產生低碳酸血症（Hypocapnia），這會反過來抑制呼吸中樞，限制了通氣量的最大化。

• 選項 C (21％氧氣＋ 5％二氧化碳)：

  • 此混合物含正常氧氣但高濃度的二氧化碳（5% $CO_2$ 約等於 $PCO_2$ 38 mmHg，而正常大氣 $PCO_2$ 近乎 0）。
  • 吸入高濃度 $CO_2$ 會導致肺泡及動脈血 $PCO_2$ 顯著升高（Hypercapnia）。
  • 高 $CO_2$ 是正常人體最強的呼吸刺激因子，主要透過中樞化學受器（Central chemoreceptors）（感測腦脊髓液 pH 值下降）以及部分透過周邊化學受器來強烈刺激呼吸。通氣量會顯著增加，但仍小於缺氧與高碳酸血症同時存在的情況。

• 選項 D (5％氧氣＋ 5％二氧化碳)：

  • 此混合物同時具備嚴重缺氧（5% $O_2$）與高二氧化碳（5% $CO_2$）。
  • 協同效應（Synergistic Effect）：生理學研究證實，當低氧與高二氧化碳同時存在時，呼吸驅動力的增加呈現倍增而非單純相加。
    1. 缺氧會增加周邊化學受器對 $CO_2$ 的敏感度。
    2. 高 $CO_2$ 會增加周邊化學受器對缺氧的敏感度。
  • 在這種「雙重打擊」下，周邊與中樞化學受器同時受到最強烈的激發，導致每分鐘總通氣量達到最大值。這被稱為**窒息（Asphyxia）**狀態下的生理反應，目的是盡全力吸入氧氣並排出二氧化碳。

答案解析

正確答案為 D。

每分鐘總通氣量（Minute Ventilation, $V_E$）受動脈血中 $PCO_2$、$PO_2$ 和 pH 值的調節。

1. 單獨刺激：高 $PCO_2$（選項 C）引起的通氣量增加通常大於單純低 $PO_2$（選項 B）。
2. 交互作用：當低 $PO_2$ 和高 $PCO_2$ 同時存在時（選項 D），它們在頸動脈體（Carotid bodies）和呼吸中樞產生協同作用（Synergy）。研究顯示，在相同程度的化學刺激下，缺氧合併高碳酸血症所誘發的通氣量，顯著高於兩者單獨作用相加的總和。因此，選項 D 會產生最大的每分鐘總通氣量。

核心知識點

1. 呼吸調節三要素：$PaCO_2$（最強，中樞為主）、$PaO_2$（僅周邊）、pH（周邊與中樞）。
2. 協同作用（Synergism）：缺氧（Hypoxia）與高碳酸血症（Hypercapnia）同時存在時，對通氣量的刺激具有乘數效應，遠強於單一刺激。
3. 化學受器位置：
   • 中樞化學受器：位於延腦，對 $H^+$ 敏感（源自 $CO_2$ 穿過血腦屏障），是主要的呼吸驅動來源。
   • 周邊化學受器：位於頸動脈體與主動脈體，主要感測 $PO_2$ 下降（<60 mmHg 時顯著），同時也感測 $PCO_2$ 升高和 pH 下降。
4. 臨床相關：在窒息（Asphyxia）或慢性阻塞性肺病（COPD）急性惡化時，這種協同機制對於維持生命至關重要，但在給予 COPD 病人高濃度氧氣時需謹慎，以免解除了缺氧驅動（Hypoxic drive）並加重 $CO_2$ 滯留（Haldaene effect 與 V/Q mismatch）。

參考資料

1. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 14th Edition, Chapter 42: Regulation of Respiration. (特別是關於 "Interrelationship Between Chemical Factors" 的圖表與描述).
2. Contrasting effects of hypoxia and hypercapnia on ventilation and sympathetic activity in humans. Journal of Applied Physiology. 1989;67(5):2101-2106. (證實 Hypoxia 和 Hypercapnia 對通氣量有協同作用).