化学因素对呼吸运动的调节是一种反射性活动，称为化学感受性反射（chemoreceptor reflex）。这里的化学因素是指动脉血液、组织液或脑脊液中的O2、CO2和H+。机体通过呼吸运动调节血液中O2、CO2和H+的水平，而血液中的O2、CO2和H+水平的变化又通过化学感受性反射调节呼吸运动，从而维持机体内环境中这些化学因素的相对稳定和机体代谢活动的正常进行。
1．化学感受器：化学感受器（chemoreceptor）是指其适宜刺激为O2、CO2和H+等化学物质的感受器。根据所在部位的不同，化学感受器分为外周化学感受器（peripheral chemoreceptor）和中枢化学感受器（central chemoreceptor）。
（1）外周化学感受器：外周化学感受器位于颈动脉体和主动脉体。1930年，比利时生理学家Heymans首次证明颈动脉体和主动脉体在化学感受性呼吸调节中的作用，于1938年获得诺贝尔生理学或医学奖。外周化学感受器在动脉血PO2降低、PCO2或H+浓度升高时受到刺激，冲动分别沿窦神经（舌咽神经的分支，分布于颈动脉体）和迷走神经（分支分布于主动脉体）传入延髓孤束核，反射性引起呼吸加深加快和血液循环功能的变化（后者见第四章）。颈动脉体和主动脉体虽都参与呼吸和循环的调节，但颈动脉体主要参与呼吸调节，而主动脉体在循环调节方面较为重要。颈动脉体的解剖位置便于研究，因而对外周化学感受器的研究主要集中在颈动脉体。
颈动脉体和主动脉体的血液供应非常丰富，其每分钟血流量约为其重量的20倍，100g该组织的血流量约为2000ml/min（每100g脑组织血流量约为55ml/min）。一般情况下，其动、静脉PO2差几乎为零，即它们始终处于动脉血液的环境之中，表明其丰富的血供与其敏感的化学感受功能有关，而并非为了满足其自身高代谢率的需要。
记录游离的颈动脉体的传入神经单纤维动作电位，观察改变灌流液成分时动作电位频率的变化，可了解颈动脉体所感受的刺激的性质和刺激与反应之间的关系。对颈动脉体的研究结果表明，当灌流液PO2下降、PCO2升高或H+浓度升高时，窦神经放电频率增加，呼吸运动增强增快，肺通气量增加；若保持灌流液PO2于100mmHg，仅减少灌流量，其传入冲动频率也增加。当血流量减少时，颈动脉体从单位体积血液中摄取的O2量相对增加，细胞外液PO2因供氧少于耗氧而下降。然而，在贫血或CO中毒时，血液O2含量虽然下降，但其PO2仍正常，只要血流量不减少，化学感受器传入神经放电频率并不增加。因此，当机体缺氧时，外周化学感受器所感受的刺激是其所处环境PO2的下降，而不是动脉血O2含量的降低。
当血液中PCO2和H+浓度升高时，外周化学感受器可因H+进入细胞内而受到刺激，引起传入神经动作电位频率增高，进而兴奋呼吸运动。CO2较容易扩散进入外周化学感受器细胞，使细胞内H+浓度升高；而血液中H+则不易进入细胞，因而，血液H+浓度升高时，感受器细胞内的H+浓度变化较小。因此，相对而言，CO2对外周化学感受器的刺激作用较H+强。
在实验中还可观察到，上述三种因素对化学感受器的刺激作用有相互增强的现象，两种因素同时作用比单一因素的作用强。这种协同作用的意义在于，当机体发生循环或呼吸衰竭时，PCO2升高和PO2降低往往同时存在，它们协同刺激外周化学感受器，共同促进代偿性呼吸增强反应。
颈动脉体含Ⅰ型细胞（球细胞）和Ⅱ型细胞（鞘细胞），细胞周围包绕着毛细血管窦，血液供应十分丰富。Ⅰ型细胞呈球形，胞内有大量囊泡，囊泡内含递质，如多巴胺、乙酰胆碱、ATP等，这类细胞起感受器的作用。Ⅱ型细胞数量较少，没有囊泡，可能起支持作用，类似神经胶质细胞。窦神经的传入纤维末梢分支穿插于Ⅰ型和Ⅱ型细胞之间，与Ⅰ型细胞形成特化的接触，包括单向突触、交互突触和缝隙连接等（图5-21），传入神经末梢可为突触前和（或）突触后成分。交互突触在Ⅰ型细胞与传入神经之间构成一种反馈环路，通过释放递质调节化学感受器的敏感性。此外，颈动脉体还受传出神经支配，通过调节血流量和感受细胞的敏感性来改变化学感受器的活动。Ⅰ型细胞受到刺激时，通过一定途径使细胞内Ca2+浓度升高，由此触发递质释放，引起传入神经纤维兴奋。
颈动脉体的传出神经支配包括交感神经和副交感神经，交感神经使颈动脉体血管收缩，减少血流量；副交感神经的作用可能是降低Ⅰ型细胞对低氧刺激的敏感性。关于颈动脉体的神经支配，详见网络增值服务。
20世纪80、90年代以来，呼吸运动的化学感受性调节的研究重点主要集中在颈动脉体感受化学刺激的机制方面；另一研究重点为Ⅰ型细胞的神经递质及其作用；随着NO、CO和H2S被相继发现为三种气体信号分子，近年来，关于它们在颈动脉体化学感受机制中的作用也成为了研究热点，详见网络增值服务。
（2）中枢化学感受器：摘除动物外周化学感受器或切断其传入神经后，吸入CO2仍能增加肺通气量；增加脑脊液CO2和H+浓度，也能刺激呼吸。动物实验表明，在延髓还存在一些不同于呼吸中枢但可影响呼吸活动的化学感受区，这些区域被称为中枢化学感受器。
中枢化学感受器位于延髓腹外侧浅表部位，左右对称，可分为头、中、尾三个区（图5-22A）。头端和尾端区都有化学感受性；中间区不具有化学感受性，可能是头端区和尾端区传入冲动向脑干呼吸中枢投射的中继站。近年来的研究表明，在斜方体后核、孤束核、蓝斑、下丘脑等部位也有化学敏感神经元。
在过去的近三十年中，随着研究的不断深入，关于中枢化学感受器部位的认识逐渐形成了两种截然不同的观点，一种是分散学说，另一种是特化学说，详见网络增值服务。
中枢化学感受器的生理性刺激是脑脊液和局部细胞外液中的H+，而不是CO2；但血液中的CO2能迅速透过血-脑屏障，使化学感受器周围细胞外液中的H+浓度升高，从而刺激中枢化学感受器，进而影响呼吸中枢的活动（图5-22B），使呼吸运动加深加快，肺通气量增加。由于脑脊液中碳酸酐酶含量很少，CO2与水的水合反应很慢，所以对CO2的通气反应有一定的时间延迟。另一方面，血液中的H+不易透过血-脑屏障，故血液pH的变化对中枢化学感受器的刺激作用较弱，也较缓慢。
当体内CO2持续增多时，在最初数小时内，呼吸兴奋反应很明显，但在随后1～2天内，呼吸兴奋反应逐渐减弱到原先的1/5左右，即存在适应现象。这是因为：①肾对血液pH具有调节作用；②血液中的HCO3-也可缓慢透过血-脑屏障和血-脑脊液屏障，使脑脊液和局部细胞外液的pH回升，减弱H+对呼吸运动的刺激作用。所以，血液中的CO2对呼吸运动的急性驱动作用较强，而慢性刺激作用则较弱。
与外周化学感受器不同，中枢化学感受器不感受低氧刺激，但对H+的敏感性比外周化学感受器高，反应潜伏期较长。中枢化学感受器的功能可能是通过影响肺通气来调节脑脊液的H+浓度，使中枢神经系统有一稳定的pH环境；而外周化学感受器的作用则主要是在机体缺氧时驱动呼吸运动，以改善缺氧状态。
2．CO2、H+和低氧对呼吸运动的调节
（1）CO2对呼吸运动的调节：CO2是调节呼吸运动最重要的生理性化学因素。人们早已知道，在麻醉动物或人，当动脉血液PCO2降到很低水平时，可出现呼吸暂停，因此一定水平的PCO2对维持呼吸中枢的基本活动是必需的；过度通气可使呼吸运动受到抑制。另一方面，当肺通气或肺换气功能障碍以及吸入气中CO2浓度增加时，血液PCO2将升高（称为高碳酸血症），代谢活动增强（如运动）也可使血液PCO2升高，在这些情况下，呼吸运动将反射性加深加快，肺通气量增加（图5-23）。肺通气增加可使CO2排出增加，从而使血液PCO2恢复正常水平。但血液PCO2过高可致中枢神经系统包括呼吸中枢活动抑制，引起呼吸困难、头痛、头昏，甚至昏迷，出现CO2麻醉。总之，CO2对呼吸运动起经常性的调节作用，血液PCO2在一定范围内升高可加强呼吸运动，但超过一定限度则起抑制作用。
CO2刺激呼吸运动由两条途径，即刺激中枢化学感受器或外周化学感受器。在去除外周化学感受器的作用后，CO2引起的通气反应仅下降20％左右；动脉血PCO2只需升高2mmHg就能刺激中枢化学感受器，引起肺通气增强的反应；而刺激外周化学感受器，则动脉血PCO2需升高10mmHg。可见，中枢化学感受器在CO2引起的通气反应中起主要作用。但因中枢化学感受器的反应较慢，所以当动脉血PCO2突然增高时，外周化学感受器在引起快速呼吸反应中具有重要作用。另外，当中枢化学感受器对CO2的敏感性降低或产生适应后，外周化学感受器的作用就显得很重要。
在心力衰竭或脑干损伤的患者，长可出现呼吸运动增强和减弱交替的现象，其产生机制可能是肺泡气于化学感受器处的PCO2存在时间差和反馈增益过强。当PCO2较高的血液到达化学感受器时，可引起呼吸中枢的反应增强，使肺通气量增加；随着呼出的CO2增多，动脉血PCO2逐渐下降，当PCO2较低的血液到达化学感受器时，又使呼吸运动因缺少足够的CO2刺激而受到抑制，于是呼吸变慢变浅甚至停止；呼吸的抑制又使CO2的排出减少，血液PCO2升高，再次引起呼吸运动变快变深。如此周而复始，出现病理性的周期性呼吸，每个周期约45s至3min，这种形式的呼吸称为陈-施呼吸（Cheyne-Stokes breathing）。陈-施呼吸也偶见于正常人熟睡时、新生儿和老年人。
（2）H+对呼吸运动的调节：当动脉血液中H+浓度升高（如呼吸性或代谢性酸中毒）时，呼吸运动加深加快，肺通气量增加；相反，当H+浓度降低（如呼吸性或代谢性碱中毒）时，呼吸运动受到抑制，肺通气量减少（图5-23）。H+对呼吸的调节也是通过外周化学感受器和中枢化学感受器实现的。中枢化学感受器对H+的敏感性较外周化学感受器高，约为后者的25倍。但H+通过血-脑屏障的速度较慢，限制了它对中枢化学感受器的作用。因此，血液中的H+主要通过刺激外周化学感受器而起作用，而脑脊液中的H+才是中枢化学感受器最有效的刺激物。
（3）低氧对呼吸运动的调节：当吸入气PO2降低（如初上高原）以及肺通气或肺换气功能障碍时，动脉血液中PO2将下降，因而呼吸运动加深加快，肺通气量增加；反之，则肺通气量减少（见图5-23）。通常在动脉血PO2下降到80mmHg以下时，肺通气量才出现可觉察到的增加。可见，动脉血PO2的改变对正常呼吸运动的调节作用不大，而当机体严重缺氧时才有重要意义。此外，在严重肺气肿、肺心病患者，由于肺换气功能障碍，导致机体慢性缺氧和CO2潴留，长时间CO2潴留能使中枢化学感受器对CO2的刺激作用产生适应，而外周化学感受器对低氧刺激的适应很慢，在这种情况下，低氧对外周化学感受器的刺激就成为驱动呼吸运动的主要刺激因素。因此，如果在因为慢性肺通气或肺换气功能障碍而引起机体缺氧的情况下给患者吸入纯O2，则可能由于解除了低氧的刺激作用而引起呼吸抑制，所以在临床应用氧疗时应给予高度注意。
低氧对呼吸运动的刺激作用完全是通过外周化学感受器实现的。切断动物外周化学感受器的传入神经后，急性低氧对呼吸运动的刺激效应便完全消失。低氧对中枢的直接作用是抑制。低氧通过外周化学感受器对呼吸中枢的兴奋作用可对抗其直接抑制作用。但在严重缺氧时，如果外周化学感受器的反射效应不足以克服低氧对中枢的直接抑制作用，将导致呼吸运动的减弱。
3．CO2、H+和低氧在呼吸运动调节中的相互作用：图5-23显示的是CO2、H+和O2三个因素中只改变一个因素而保持其他两个因素不变时的肺通气效应。由图中可见，三者引起的肺通气反应的程度大致接近。然而，在自然呼吸情况下，不可能只有一个因素改变而其他因素不变，一种因素的改变往往引起另一种或两种因素相继改变或几种因素同时改变。三者之间具有相互作用，对肺通气的影响既可因相互协同而增强，也可因相互抵消而减弱。图5-24所示为一种因素改变而对另外两种因素不加控制时的情况，可见CO2对呼吸的刺激作用最强，且比其单因素作用（图5-23）更明显；H+的作用次之；低氧的作用最弱。PCO2升高时，H+浓度也随之升高，两者的协同作用使肺通气反应比单纯PCO2升高时更强。H+浓度增加时，因肺通气增加而使CO2排出增加，导致PCO2下降，H+浓度也有所降低，因此可部分抵消H+的刺激作用，使肺通气量的增加比单因素H+浓度升高时小。PO2降低时，也因肺通气量增加，呼出较多的CO2，使PCO2和H+浓度降低，从而减弱低氧的刺激作用。
