A-level 生物學/人類健康與疾病/氣體交換
氣體交換系統有四個功能
- 最大化血液與大氣之間氧氣和二氧化碳擴散的表面積。
- 最小化這種擴散的距離，並保持足夠的濃度梯度。
- 清潔和溫暖呼吸過程中進入的空氣。
哺乳動物吸入和撥出含有氧氣的空氣。血液在肺部吸收這種氧氣，然後被輸送到全身。
進入肺部的空氣透過鼻腔進入身體，鼻腔通向氣管。在氣管底部，它分成兩條支氣管，支氣管進一步分支，形成一個支氣管“樹”。氣管和支氣管中的軟骨保持氣道暢通，防止它們塌陷。氣管具有規則排列的 C 形軟骨，而支氣管具有不規則的軟骨塊。較小的細支氣管可以透過周圍的平滑肌放鬆，這在運動時非常有用，可以使更多的空氣流通。
人體內的氣道有粘液襯裡，有助於捕獲透過氣道進入身體的病原體和其他異物。在氣管和支氣管中，是纖毛上皮的杯狀細胞產生這種粘液。粘液是一種含有糖蛋白的粘稠溶液。糖蛋白能夠捕獲吸入的顆粒，例如病原體和灰塵。二氧化硫等化學汙染物可以溶解在粘液中形成酸性溶液，刺激呼吸道。鼻腔也有細小的毛髮。
巨噬細胞，吞噬性白細胞巡邏在氣道的表面，去除細菌等顆粒。
肺部為氣體交換提供了巨大的表面積。肺部被胸膜包圍，胸膜包含胸膜液，這使得運動沒有摩擦。這確保肺部可以透過橫膈膜和肋骨（呼吸動作）移動。
肺泡具有非常薄的上皮襯裡，並被許多攜帶脫氧血液的毛細血管包圍。它們提供了較短的距離和較大的表面積，氧氣和二氧化碳可以在其上交換。它們還含有彈性纖維，可以膨脹以使空氣進入，並回縮以幫助排出空氣。肺泡必須保持溼潤以使氣體擴散，這是透過肺泡壁產生的液體來實現的。這種液體的表面張力必須很低，否則肺泡在吸入空氣時可能不會膨脹。為了防止這種情況，該液體包含表面活性劑（一種像洗滌劑一樣的物質），以降低表面張力。
改變呼吸的深度和頻率使我們能夠調整氧氣的攝入量和二氧化碳的撥出量，以適應我們的活動水平。在休息時，我們平均每分鐘需要 6.0dm3，每次呼吸大約有 0.35 dm3 進入肺泡。
肺部不能清空空氣 - 至少會殘留 1.0dm3 空氣，稱為殘氣量。
- 潮氣量 - 單次呼吸吸入和撥出的空氣量
- 呼吸頻率 - 每分鐘呼吸次數
- 通氣量 - 潮氣量 x 呼吸頻率
- 肺活量 - 可以吸入然後撥出的最大空氣量。
肺容量的變化可以透過肺量計測量。
在運動過程中，心率必須增加以向肌肉提供更多的氧氣並更快地排出二氧化碳。
心臟的搏出量被定義為每次收縮從每個心室泵出的血液量，每分鐘稱為心輸出量。脈搏是主動脈伸展和隨後的回縮引起的波浪，沿動脈移動，與心率相同。高搏出量和低靜息脈搏是有氧健身的指標，因為它只需要少量增加脈搏就可以實現劇烈運動所需的更大的血液供應。
當左心室收縮將含氧血液從心臟中排出時，此過程中的最大動脈壓力稱為收縮壓 - 血液離開心臟時的壓力。最小壓力是舒張壓，它反映了小動脈和毛細血管的阻力。這可能是由於動脈粥樣硬化導致的動脈硬化。典型血壓為 120/80 毫米汞柱。
高血壓是指靜息狀態下收縮壓和舒張壓都升高的狀態，心臟工作過度。短期內，高血壓的發生是由於小動脈和小動脈壁平滑肌收縮，這是由於去甲腎上腺素激素引起的。這種激素刺激小動脈收縮，從而增加阻力，迫使心臟更努力地工作。
然而，長期高血壓對心血管系統造成壓力，並且還沒有完全解釋。如果不糾正，它會導致心力衰竭。它與以下因素密切相關；
- 過度飲酒
- 吸菸
- 飲食中高鹽量
- 遺傳易感性
- 肥胖
正如您所知，ATP 是所有細胞的能量貨幣 - 肌肉也需要它，但不能儲存大量的 ATP，因此它在運動過程中很快就會耗盡。肌肉會釋放其他分子中的化學勢能來製造 ATP，用於持續時間超過此時間的運動。這些來源包括肌肉中的糖原分解成葡萄糖，肝臟中儲存的糖原被轉化為葡萄糖，以及血液中的脂肪酸來自體內脂肪儲存。
呼吸作用是產生新的三磷酸腺苷 (ATP) 的過程，有兩種形式。如果有足夠的氧氣，就會進行有氧呼吸，在這個過程中，葡萄糖、脂肪酸和氧氣被分解成二氧化碳和水，並釋放大量能量 - 一部分能量轉化為 ATP，其餘能量則以熱量的形式損失。
這種呼吸作用通常發生線上粒體中，氧氣來自兩個來源：血液中的氧合血紅蛋白和肌肉中儲存的氧合肌紅蛋白。氧合血紅蛋白容易解離並釋放氧氣，氧氣擴散到肌肉組織中，一部分被線粒體立即利用，一部分被肌紅蛋白儲存，肌紅蛋白對氧氣的親和力更高，因此只有在肌肉細胞中的氧氣含量非常低時才會釋放氧氣。
線粒體在無氧條件下無法有效地發揮作用，但葡萄糖仍然可以進行呼吸作用生成 ATP，在這個過程中會形成乳酸。
任何由有氧呼吸驅動的運動被稱為有氧運動。透過訓練，肺部和心臟在氧合血液和將其輸送到全身方面變得更有效率。
以下列出的所有變化都是為了在運動過程中更有效地為身體提供最需要的氧氣。
運動前
- 腎上腺素 - 導致心臟和呼吸速率增加
- 皮膚和腸道的動脈細支血管收縮，肌肉中的動脈細支血管擴張
- 葡萄糖從肝臟釋放，脂肪酸從脂肪儲存中釋放。
運動期間
- 能量需求急劇增加，因為肌肉耗盡了 ATP 供應。
- 有限的氧氣供應迫使肌肉進行無氧呼吸，產生乳酸。
- 乳酸與二氧化碳一起擴散到血液中，刺激動脈細支血管進一步擴張，增加血液流向肌肉。
- 腎上腺素刺激支氣管擴張，減少氣道阻力。
- 心臟的血液輸出量也增加。
- 波爾效應使氧合血紅蛋白的氧氣更容易解離。
在有氧運動中，尤其是在快速開始運動的情況下，可能需要長達四分鐘的時間才能使心臟和肺部達到肌肉對氧氣的需求量 - 體能較差的人可能永遠無法達到這個需求，必須停止運動。在心臟和肺部趕上需求的時間內，人體會積累氧氣負債，也稱為氧氣債務 - 鍛鍊後的大口呼吸就是為了償還這種氧氣債務。這會進行以下工作：
- 呼吸作用分解產生的乳酸（在肝臟中進行）
- 血液中血紅蛋白的再氧合
- 肌肉中肌紅蛋白的再氧合
- 高代謝率，因為整個身體都在高於靜息水平的水平上執行。
有許多因素影響有氧運動能力。
- 最初的有氧運動能力水平
- 訓練強度
- 訓練持續時間
- 訓練頻率
健康益處
- 減輕體重
- 增強抵抗感染能力
- 減緩動脈粥樣硬化
- 提高平衡性和力量
- 降低患下背痛的風險
- 運動釋放內啡肽，改善情緒
- 降低膽固醇濃度
- 降低患骨質疏鬆症、冠心病和中風的風險
- 降低高血壓
肌肉
- 肌肉尺寸增加（包括肌肉纖維）
- 毛細血管增加 - 氧氣向肌肉的擴散距離縮短
- 線粒體增加
- 肌紅蛋白增加
- 肌肉中糖原和脂肪增加
- 呼吸酶增加
心血管健康
- 心搏輸出量增加
- 心輸出量增加
- 心臟搏動力量增加
- 心臟尺寸增加
- 靜息血壓降低
- 靜息心率降低
呼吸健康
- 肺活量增加
- 潮氣量增加
- 身體更快地滿足肌肉的需求