哺乳动物肺中的水与热交换

哺乳动物呼吸系统的次要功能是在吸气时，于空气到达肺泡前将其加热至体温并用水蒸气饱和。依托一个数学模型，我们全面分析了这一功能，考虑了所有陆生哺乳动物（体重 $M$ 跨越六个数量级），并仅聚焦于肺对此空气调节的贡献。结果突显了小型与大型哺乳动物之间、以及静息与用力之间，在肺内热量与水交换的空间分布以及气道腔内的传质机制方面的显著差异。有趣的是，结果表明哺乳动物肺的设计似乎恰到好处，能在最大用力时完全调节空气：肺支气管区域的所有代均为此被动用。对于质量超过某一阈值（静息时约 $5$ kg，最大用力时约 $50$ g）的哺乳动物，结果显示该蒸发速率的最大值在静息时按 $M^{-1/8}$ 缩放，在最大用力时按 $M^{-1/16}$ 缩放；并且由于不同现象间的微妙耦合，吸气期间从肺提取的水/热约有 40%（静息）或 50%（最大用力）在呼气时返回支气管黏膜，且与质量无关。这最后一结果意味着，高于这些阈值时，通风从肺中提取的水与热量随质量的变化尺度如同通风率（即静息时 $M^{3/4}$，最大用力时 $M^{7/8}$）。最后值得指出的是，这些量看似有限，但即便在最大用力时（4–6%）与相关全局量相比也不可忽略。