為什麼我們需要運輸系統？

生物體並不總是需要運輸系統，大多數生物的運輸系統比我們簡單得多 - 那麼哺乳動物運輸系統中的複雜性從何而來呢？原因在於我們的體型。由於哺乳動物體型很大（從營養物質到需要這些營養物質的細胞之間的距離增加），新陳代謝率高，活動水平高，因此我們對氧氣和營養物質的需求量很大。我們還會產生大量的廢物，這些廢物需要被清除 - 所有這些都是透過我們複雜的運輸系統（帶有泵）來實現的。

**表 1：運輸系統**
生物型別	單細胞	水母和海葵	昆蟲	綠色植物	魚類	哺乳動物
體型範圍	微觀	高達 60 釐米	1 毫米至 13 釐米	1 毫米至 150 米	12 毫米至 10 米	35 毫米至 34 米
示例	大腸桿菌	海葵	蝗蟲	橡樹	鱂魚	人類
活動水平	使用鞭毛移動以尋找食物	海葵是固著生活的，水母遊動緩慢	活躍的運動，許多會飛	不運動	活躍的運動	最活躍的運動
運輸系統	沒有專門的運輸系統	沒有專門的運輸系統	血液系統（有泵）	木質部/韌皮部（沒有泵）	血液系統（有泵）	血液系統（有泵）

從上表可以看出，一些生物體沒有運輸系統，依靠單純的擴散，因為它們是如此簡單的生物體，擴散足以滿足需求。相對於它們的體積，它們具有很大的表面積，適合擴散發生。水母和海葵生存的理由相同，它們沒有太多運動（這需要氧氣）。

心血管系統

心血管系統或簡單地說是血液系統，具有一個泵和一系列管道，分別是心臟和血管。來自心臟左心室的血液經過心臟兩次才能完成一個迴圈。從左心室開始，進入主動脈，流向全身，除了肺部，然後透過上腔靜脈和下腔靜脈回到心臟右側，再被右心室泵入肺動脈，帶到肺部重新充氧，然後沿著肺靜脈回到心臟左側。這種組合使它成為一個雙迴圈系統，並且由於血液從未離開，因此被稱為封閉迴圈系統。

檢視這張圖片，以更全面地瞭解人體血管系統：[3]

這張圖片有助於描述雙迴圈系統：[4]

動脈

動脈的功能是快速、高血壓地將血液輸送到組織。請看右邊的圖。它是一個動脈的橫截面，顯示了三層結構 - 內膜、中膜和外膜。內膜由內皮細胞構成，內皮細胞位於一層薄薄的彈性纖維上，因為內膜與血液接觸，這一點至關重要。接下來是中膜，它包含平滑肌、膠原蛋白和彈性纖維。最後，最外層是外膜，包含彈性纖維和膠原蛋白纖維。中間的空腔是血液流過的通道，稱為管腔。

動脈具有所有血管中最厚的壁，這與平滑肌和彈性纖維一起使血管壁能夠隨著來自心臟的高壓血液脈衝的到來而擴張。它們具有彈性（即在被拉伸後回縮）這一事實至關重要，以確保它們在血液脈衝通過後“彈回”，升高血壓並推動血液流動。

隨著它們離心臟越來越遠，離它們要輸送血液的組織越來越近，它們會分支成更小的血管，稱為小動脈 - 與動脈相似，但更小，並且具有更多肌肉，可以在需要時推動血液流動，也可以增強或限制血流，例如在運動期間限制血液流向腸道。

靜脈

靜脈具有相對較大的管腔、薄的內膜和更薄的中膜。它們的外膜主要是膠原蛋白纖維，而動脈則含有更多的彈性纖維。

血液從小動脈流入毛細血管，離開毛細血管後進入靜脈，靜脈的功能是將血液送回心臟。靜脈必須處理非常低的壓力血液，通常低於 5 毫米汞柱 - 這有助於消除對厚壁的需求，但是如何在如此低的壓力下將血液送回心臟呢？

答案是半月瓣。檢視這張圖片：[5]。從圖中可以看出，半月瓣只允許血液單向流動，試圖逆向流動只會關閉瓣膜。你腿部的肌肉也有助於提高靜脈內的壓力。

毛細血管

小動脈繼續從動脈分支，最終形成所有血管中最小的血管，即毛細血管。毛細血管的功能是儘可能地將血液送至細胞，使物質能夠在細胞和血液之間快速運輸 - 它們在每個組織中形成一個網路，稱為毛細血管網。

毛細血管壁非常薄，僅由一層內皮細胞構成，每個毛細血管的直徑與紅細胞的直徑相當，約為 7 微米。這種結構使血液能夠靠近單個細胞，距離僅 1 微米。大多數毛細血管網在單個細胞之間會有間隙，使血液中的一些成分能夠滲透到身體細胞之間的間隙中，形成組織液。毛細血管內的血壓約為 10 毫米汞柱。

血液和組織液

血液只是懸浮在稱為血漿的淡黃色液體中的細胞。血漿主要由水組成，其中溶解著營養物質和廢物等溶質。始終留在血液中的蛋白質分子稱為血漿蛋白。如前一部分所述，血漿從毛細血管中滲出，並滲透到組織細胞之間的間隙中，被稱為組織液。

組織液是血漿，只是缺少一些無法透過毛細血管壁的成分 - 紅細胞和蛋白質分子。它構成了每個單個身體細胞的直接環境，並在細胞之間交換物質 - 我們身體中的許多過程都是為了維持組織液的成分而設計的，以確保細胞具有最佳的環境。這被稱為穩態，包括調節血糖濃度、水、pH 值、廢物和溫度。

淋巴系統

在上一節討論的組織液中，大約 90% 回滲到毛細血管，剩下的 10% 變成淋巴液，存在於淋巴管（淋巴系統）中。這些管子是微小的“盲端”管子，組織液可以流入，但不能流出 - 這些瓣膜足夠寬，可以允許大的蛋白質分子透過 - 這很重要，因為這些蛋白質無法進入毛細血管，也不能被血液帶走，如果組織液不帶走它們，會導致致命的堆積。

淋巴管連線起來形成更大的淋巴管，逐漸將淋巴液輸送回鎖骨下方的大靜脈，稱為鎖骨下靜脈。淋巴結位於淋巴管之間，當淋巴透過這些結點時，白細胞會從淋巴中清除細菌和其他不需要的顆粒。

血液

血液是一種特殊的體液，由懸浮在稱為血漿的液體中的血細胞組成。

血細胞

血細胞（也稱為血球）是任何型別的細胞，通常存在於血液中。在哺乳動物中，它們可以分為兩大類

紅血細胞
白血細胞

紅色

紅血細胞（紅細胞）之所以呈紅色，是因為含有血紅蛋白，血紅蛋白是一種球狀蛋白，其主要功能是從肺部將氧氣輸送到呼吸組織。紅血細胞的壽命相對較短，隨著時間的推移，它們會變得更加脆弱，並在迴圈系統中破裂，但會由骨髓補充。下面列出了它們的結構和功能。

'**紅血細胞**
結構	功能
體積小（7μm）	使紅血細胞能夠靠近細胞，與它們交換氧氣 - 以適應毛細血管。
沒有細胞核、線粒體或內質網。	紅血細胞是高度特化的細胞，它們為血紅蛋白提供了儘可能多的空間。
雙凹盤形狀	氧氣擴散的表面積大。靈活性。

白色

白血細胞（白細胞）也是在骨髓中產生的，但與紅血細胞的不同之處在於以下幾個方面。

它們總是具有細胞核
比紅血細胞大
不是雙凹的，通常是球形的或不規則的。

白血細胞主要分為兩類：吞噬細胞和淋巴細胞。

吞噬細胞

透過吞噬作用破壞入侵的細胞
可以透過其裂片狀的[6]（見中性粒細胞）核和顆粒狀細胞質識別。

淋巴細胞

破壞微生物，但不是透過吞噬作用
分泌抗體
比吞噬細胞小
細胞核大[7]
細胞質小

血紅蛋白

運輸系統的最主要作用是將氧氣從肺泡輸送到需要的地方 - 體內細胞，這是透過血紅蛋白實現的。每個血紅蛋白分子可以結合四個氧分子。

解離曲線

血紅蛋白不僅需要在肺部吸收氧氣（如我們之前所見），還需要在適當的組織中釋放氧氣。這被稱為解離，可以測量血紅蛋白的解離並繪製圖表，稱為解離曲線。

該圖（見右圖）表明，在氧分壓較低時，血紅蛋白的氧飽和度非常低。在氧分壓較高時，血紅蛋白的氧飽和度非常高。小型哺乳動物的血紅蛋白解離曲線略微偏向左側，因為它們有許多代謝過程。

S 形

S 形曲線可以用血紅蛋白分子在失去和獲得氧分子時的行為來解釋。

一個血紅蛋白分子有四個血紅素基團，當一個氧分子與一個血紅素基團結合時，血紅蛋白分子會略微變形，這種變形會增加血紅蛋白對氧氣的親和力，也就是說，它使第二個氧分子更容易結合。第二個氧分子結合後，反過來又使第三個氧分子更容易結合，但這個分子使第四個分子更難結合。

所有這一切解釋了為什麼初始上升速度緩慢（第一個很難結合，但從第 25 個百分位到第 75 個百分位（第二和第三個容易）是一個陡峭的圖，最後四分之一的圖又慢了（第四個很難））。

波爾效應

波爾效應是指二氧化碳對 S 形曲線的影響 - 當二氧化碳釋放到紅血細胞中時，它會被碳酸酐酶轉化，從而產生過量的氫離子。血紅蛋白很容易與這些離子結合，形成血紅蛋白酸，並在此過程中釋放它所攜帶的氧氣。

這導致了兩個結果 - 血紅蛋白清除二氧化碳溶解和解離時形成的氫離子 - 使 pH（氫離子濃度）保持中性（充當緩衝劑）。

二氧化碳分壓高會導致血紅蛋白釋放氧氣 - 這就是波爾效應。它非常有用，因為高濃度的二氧化碳存在於積極呼吸的組織中 - 這些組織最需要氧氣，並導致血紅蛋白比平時更容易釋放氧氣。波爾效應使 S 曲線（這次是解離）稍微向右移動，簡單地說，血紅蛋白的飽和度比在二氧化碳分壓低時要低。

CO₂ 運輸

CO₂ 在血液中可以透過三種方式運輸。

二氧化碳可以直接溶解在溶液中。（5%）
二氧化碳解離的產物之一是碳酸氫根離子，這些離子大部分擴散到血漿中。（85%）
二氧化碳也可以直接與血紅蛋白結合形成氨基甲醯血紅蛋白。（10%）

當血液到達肺部時，上述前兩個反應會逆轉，這使得二氧化碳從血液中擴散出去，血紅蛋白可以自由地與氧氣結合。

胎兒血紅蛋白

發育中的胎兒透過胎盤從母體血紅蛋白中獲取氧氣。顯然，母體的血液必須供應她自己的整個身體以及胎兒的需求，因此當血液到達胎盤時，氧分壓相對較低。

這要求胎兒血紅蛋白對氧氣的親和力更高，並在氧分壓較低時更容易結合。在 S 形曲線圖上，胎兒血紅蛋白的曲線略微位於成人血紅蛋白曲線的左側。

一旦胎兒出生，他/她會在 6 個月內失去胎兒血紅蛋白，因此將來女性可以懷有胎兒，胎兒能夠利用胎兒血紅蛋白獲得氧氣。此外，胎兒血紅蛋白必須轉變為成人血紅蛋白，以便氧親和力降低到足以向細胞和組織提供適當量的氧氣。這對於兒童變得更加活躍尤其重要，因為他們的組織需要更多氧氣。

肌紅蛋白

肌紅蛋白是一種紅色的色素，可以與氧氣結合，就像血紅蛋白一樣。但是，它主要存在於肌肉組織中。它只有一個多肽鏈，一個血紅素基團，只能結合一個氧分子。然而，肌紅蛋白對氧氣的親和力非常高，只有當週圍的氧分壓非常低時，它才會釋放氧氣。

這很有用，因為在運動開始的幾分鐘內，心臟和肺部需要時間來趕上肌肉的需求，在此期間，肌肉的氧飽和度會隨著它們迅速使用而下降，肌紅蛋白會釋放它的氧氣。因此，肌紅蛋白充當氧氣儲存器。

氧氣運輸困難

你可能已經猜到，我們體內的氧氣運輸非常有效，但它可能會受到一些因素的影響。

一氧化碳

血紅蛋白儘管效率很高，但它有一個缺陷——它與一氧化碳不可逆地結合，親和力是氧氣的 250 倍。一氧化碳從許多來源的煙霧中吸入，並與血紅蛋白結合形成碳氧血紅蛋白。

因此，過量的一氧化碳濃度，例如來自通風不良的燃氣熱水器，會嚴重影響機體的氧氣輸送能力，一氧化碳中毒會導致窒息死亡。

高原反應

由於血紅蛋白部分依賴於大氣壓力來容易地與氧氣結合，因此人類有時會在海拔 6500 英尺以上遇到問題，因為氣壓會降低到血紅蛋白最多隻能達到 70% 的飽和度，而不是通常的 92-95% 的飽和度，導致機體攜帶的氧氣量減少。

這會使人感到不適，但更糟糕的是，它會導致大腦中的小動脈擴張，並增加流入毛細血管的血液量。這會導致液體從毛細血管滲漏到腦組織中，引起迷失方向，甚至滲漏到肺部，導致呼吸困難。這種情況可能是致命的。

然而，隨著時間的推移，機體可以透過增加紅細胞數量來適應較低的氣壓，但這一過程需要在高海拔地區至少持續兩到三個星期。住在高海拔地區的人還會發生其他變化，包括胸部寬闊（肺活量大）、心臟更大以及血液中血紅蛋白濃度高於平常。