低O2对呼吸的刺激作用远不及PCO2和[H+]↑作用明显。轻度缺氧时，表现为呼吸增强；严重缺氧时，呼吸减弱，甚至停止。
低O2对中枢是抑制的，因此对呼吸的刺激作用主要是通过外周化学感受器实现。严重的肺气肿、肺心病患者，由于肺换气功能障碍，导致低氧和二氧化碳潴留，长时间的二氧化碳潴留能使中枢化学感受器对二氧化碳的刺激作用发生适应，而外周化学感受器对低氧的适应很慢，在这种情况下，低氧对外周化学感受器的刺激成为驱动呼吸运动的主要刺激因素。因此，因慢性通气功能低下引起低氧的患者，如果突然吸入高纯度的氧，会引起呼吸暂停。
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