動物解剖學和生理學/呼吸系統
完成本節後，您應該瞭解
- 為什麼動物需要能量以及它們如何在細胞中產生能量
- 為什麼動物需要氧氣並需要排出二氧化碳
- 氣體交換這個術語的含義
- 肺泡的結構以及氧氣和二氧化碳如何穿過其壁
- 氧氣和二氧化碳如何在血液中運輸
- 空氣在呼吸系統中的路線（即鼻子、咽、喉、氣管、支氣管、
- 細支氣管、肺泡）
- 肋骨和膈肌的運動以實現吸氣
- 潮氣量、每分鐘通氣量和肺活量是什麼
- 呼吸頻率是如何控制的，以及這如何幫助調節血液的酸鹼平衡
動物需要能量供應才能生存。這種能量用於構建蛋白質和糖原等大型分子，製造細胞結構，將化學物質穿過膜和細胞周圍移動，收縮肌肉，傳遞神經衝動，並保持體溫。動物從他們作為食物食用的大型分子中獲得能量。葡萄糖通常是能量來源，但也可能來自其他碳水化合物，以及脂肪和蛋白質。能量是由稱為細胞呼吸的生化過程產生的，該過程發生在每個活細胞內部的線粒體中。
總反應可以用以下文字方程式概括。
碳水化合物食物（葡萄糖）+ 氧氣 = 二氧化碳 + 水 + 能量
如您從該方程式中所見，細胞需要供應氧氣和葡萄糖，並且需要清除對細胞有毒的廢物二氧化碳。消化系統如何提供細胞呼吸所需的葡萄糖將在第 11 章（“腸道和消化”）中介紹，但這裡我們只關注參與細胞呼吸的兩種氣體，氧氣和二氧化碳。這些氣體透過血液運輸到需要或產生的組織。
氧氣從空氣（或魚類中的水）進入體內，二氧化碳通常從身體的相同部位排出。這個過程稱為氣體交換。在魚類中，氣體交換髮生在鰓中，在陸地脊椎動物中，肺是氣體交換器官，青蛙在蝌蚪時期使用鰓，在成年時期使用肺、嘴巴和皮膚。
哺乳動物（和鳥類）活躍且體溫相對較高，因此需要大量的氧氣才能透過細胞呼吸提供足夠的能量。為了吸入足夠的氧氣並釋放所有產生的二氧化碳，它們需要非常大的表面積，以便氣體交換能夠發生。肺部的許多微小氣囊或肺泡提供了這一點。當您在顯微鏡下觀察它們時，它們看起來像是一串串葡萄，上面覆蓋著密集的毛細血管網路（參見圖 9.1）。一層薄薄的水覆蓋在每個肺泡的內表面上。肺泡中的空氣和毛細血管中的血液之間只有一層非常小的距離——僅 2 層薄細胞——氣體透過擴散穿過該間隙。
肺泡中的空氣富含氧氣，而肺泡周圍毛細血管中的血液是脫氧的。這是因為紅血球中的血紅蛋白已經釋放了它一直輸送到身體細胞的所有氧氣。氧氣從高濃度擴散到低濃度。因此，它穿過肺泡和毛細血管之間的狹窄屏障進入血液，並與紅血球中的血紅蛋白結合形成氧合血紅蛋白。
肺泡周圍毛細血管的狹窄直徑意味著血流減慢，紅細胞被擠壓到毛細血管壁上。這兩個因素都有助於氧氣擴散到血液中（參見圖 9.2）。
當血液到達組織的毛細血管時，氧氣從血紅蛋白分子中分離。然後它擴散到組織液中，然後進入細胞。
進入肺毛細血管的血液充滿了從組織中收集的二氧化碳。大多數二氧化碳溶解在血漿中，以碳酸氫鈉或碳酸的形式存在。少部分由紅血球運輸。當血液進入肺部時，二氧化碳氣體透過毛細血管和肺泡壁擴散到水膜中，然後擴散到肺泡中。最後，它在呼氣時從肺中排出（參見圖 9.2）。（有關氧氣和二氧化碳如何在血液中運輸的更多資訊，請參見第 8 章）。
當空氣吸入時，它從鼻子經過一系列管子到達肺部的肺泡（參見圖 9.3）。進入鼻子後，空氣經過鼻腔，鼻腔襯有一層潮溼的膜，在空氣透過時為其新增溫暖和水分。然後空氣流經咽或喉嚨，這是一個既可以輸送食物也可以輸送空氣的通道，進入喉，喉是聲帶所在的地方。在這裡，食物和空氣的通道再次分離。食物必須進入食道，而空氣必須進入氣管或氣管。為了防止食物進入氣管，在吞嚥時，一塊稱為會厭軟骨的小組織瓣膜會關閉開口（參見第 11 章）。吞嚥時抑制呼吸的反射也（通常）會防止食物嗆入氣管。
氣管是將空氣向下引導到喉嚨的管子。其壁上不完整的軟骨環有助於保持氣管暢通，即使在脖子彎曲和頭部轉動時也是如此。雜技演員和做瑜伽的人在最扭曲的動作中也能保持呼吸的事實表明這種排列是多麼有效。氣道現在分成兩條支氣管，將空氣輸送到左右肺，然後分成更小更小的細支氣管，這些細支氣管遍佈肺部，將空氣輸送到肺泡。支氣管和細支氣管壁上的平滑肌調節氣道直徑。
襯在呼吸道上的組織會產生粘液，並覆蓋著微小的毛髮或纖毛。任何吸入呼吸系統的灰塵都會立即被粘液纏住，纖毛會將其移動到嘴巴或鼻子，在那裡可以將其咳出或吹出。
肺部佔據了胸腔或胸腔的大部分，胸腔被膈肌完全與腹腔隔開。肺部及其所在的間隙（稱為胸膜腔）被稱為胸膜的膜覆蓋。兩層膜之間有一層薄薄的液體。在呼吸運動中，這會潤滑它們，使它們相互滑動。
胸膜腔是完全密閉的，與外界沒有連線，如果它們因意外穿孔（斷裂的肋骨通常會這樣做），空氣會湧入，肺就會塌陷。隔開兩肺的是一個含有食道、氣管、主動脈、腔靜脈和淋巴結的組織區域。這被稱為縱隔。在人類和羊中，它完全將腔室隔開，因此穿刺一個胸膜腔只會導致一個肺部塌陷。然而，在狗中，這種分離是不完全的，因此穿刺會導致兩個肺部完全塌陷。
呼吸過程將空氣進出肺部。這個過程有時被稱為呼吸，但重要的是不要將其與發生在細胞線粒體中的化學過程細胞呼吸相混淆。呼吸是由隔膜和肋骨的運動引起的。
隔膜是一層薄薄的肌肉，完全隔開了腹腔和胸腔。當處於休息狀態時，它會向上拱起進入胸腔，但在吸氣或吸氣時會變平。同時，胸壁上的特殊肌肉（外肋間肌）會使肋骨向前和向外移動。隔膜和肋骨的這些運動會導致胸腔容積增大。由於胸膜腔是密閉的，肺部會擴張以填補這個增大的空間，空氣會被吸入氣管並進入肺部（參見圖 9.4a）。
呼氣或撥出包括相反的運動。肋骨向下向內移動，隔膜恢復其拱形形狀，因此空氣被排出（參見圖 9.4b）。呼氣通常是無意識的，不需要能量（除非你在吹氣球）。
當你坐在那裡閱讀本文時，只需注意你的呼吸。你會注意到你的吸氣和呼氣非常小而柔和（除非你剛從其他地方趕到這裡！）。每次呼吸中，只有你肺部總容量的一小部分被吸入和撥出。這種溫和的“休息”呼吸被稱為潮氣呼吸，吸入或撥出的體積（它們應該相同）是潮氣量（參見圖 9.5）。有時人們想測量正常呼吸一分鐘內吸入或撥出的空氣量。這被稱為分鐘通氣量。可以透過測量一次潮氣呼吸的體積，然後將該值乘以一分鐘內的呼吸次數來估計它。當然，你可以深吸一口氣，儘可能地吸氣，然後儘可能地呼氣。最大呼氣後撥出的空氣量稱為肺活量（參見圖 9.5）。
動物吸入的空氣含有 21% 的氧氣和 0.04% 的二氧化碳。撥出的空氣含有 16% 的氧氣和 4.4% 的二氧化碳。這意味著肺部只去除了空氣中四分之一的氧氣。這就是為什麼可以給某人（或動物）人工呼吸，方法是將撥出的空氣吹入他們的嘴中。
呼吸通常是一種無意識的活動，無論你清醒或睡覺都會發生，儘管至少人類可以有意識地控制它。位於後腦的兩個區域，稱為延髓和腦橋，控制著呼吸頻率。這些被稱為呼吸中樞。它們對血液中二氧化碳的濃度做出反應。例如，當這種濃度在活動期間升高時，神經衝動會自動傳送到隔膜和肋骨肌肉，從而增加呼吸頻率和深度。增加呼吸頻率也會增加血液中的氧氣量，以滿足這種增加的活動的需要。
血液的酸度程度（酸鹼平衡）對細胞和整個身體的正常功能至關重要。例如，過酸或過鹼的血液會嚴重影響神經功能，導致昏迷、肌肉痙攣、抽搐甚至死亡。血液中攜帶的二氧化碳會使血液變酸，二氧化碳濃度越高，血液酸性越強。這顯然很危險，因此身體中存在多種機制可以將酸鹼平衡恢復到正常範圍內。呼吸是這些穩態機制之一。透過增加呼吸頻率，動物會增加從血液中排出的溶解二氧化碳的量。這會降低血液的酸度。
鳥類具有獨特的呼吸系統，使它們能夠以飛行所需的極高速度呼吸。肺部是相對堅固的結構，不會像哺乳動物的肺部那樣改變形狀和大小。管子穿過它們，並連線到位於胸腔和腹部體腔以及一些骨骼中的氣囊。肋骨和胸骨或胸骨的運動會擴充套件和壓縮這些氣囊，因此它們的作用類似於風箱，將空氣泵入肺部。這種極其有效的呼吸系統的進化使鳥類能夠遷徙到遙遠的距離，並在高於珠穆朗瑪峰峰頂的海拔高度飛行。
- 動物需要呼吸以向細胞提供氧氣並去除廢物二氧化碳。
- 肺部位於胸腔的胸膜腔中。
- 氣體交換發生在肺部的肺泡中，它們提供了一個巨大的表面積。在這裡，氧氣從肺泡擴散到包圍肺泡的毛細血管中的紅血球。血液中濃度高的二氧化碳會擴散到肺泡，然後被撥出。
- 吸氣發生在肌肉收縮導致肋骨向上和向外移動，而隔膜變平。這些運動會增加胸膜腔的容積，並將空氣吸入呼吸系統進入肺部。
- 空氣進入鼻腔，然後進入咽和喉，在那裡會厭會在吞嚥時關閉肺部的開口。空氣會向下穿過氣管，氣管由軟骨環保持開放，進入支氣管和細支氣管，然後進入肺泡。
- 呼氣是一個被動的過程，不需要能量，因為它依賴於肌肉的放鬆和肺部彈性組織的回彈。
- 呼吸頻率由血液中二氧化碳的濃度決定。由於二氧化碳會使血液變酸，因此呼吸頻率有助於控制血液的酸鹼平衡。
- 襯裡呼吸道 的細胞會產生粘液，粘液會捕獲灰塵顆粒，灰塵顆粒會被纖毛送入鼻腔。
完成呼吸系統練習，以瞭解呼吸系統的主要結構以及它們如何促進吸氣和氣體交換。
然後使用下面的自我測試來檢視你記住了多少內容以及理解程度如何。
1. “氣體交換”這個詞語指的是什麼？
2. 氣體交換在哪裡進行？
3. 氧氣從肺泡進入血液的過程是什麼？
4. 為什麼會發生這個過程？
5. 肺泡的結構如何使氣體交換高效？
6. 氧氣在血液中如何運輸？
7. 列出空氣從鼻子到肺泡的路徑中經過的結構。
8. 呼吸道內壁的粘液和纖毛有什麼功能？
9. 肋骨和橫膈膜的運動如何導致吸氣？請在下述語句中圈出正確的一項。
- a) 橫膈膜向上隆起進入胸腔，肋骨向內向下運動。
- b) 橫膈膜變平，肋骨向上向外運動。
- c) 橫膈膜向上隆起進入胸腔，肋骨向上向外運動。
- d) 橫膈膜變平，肋骨向內向下運動。
10. 會厭軟骨的功能是什麼？
11. 什麼控制呼吸頻率？
這是一個關於人類呼吸和氣體交換的互動式解釋，包含可標註的圖表、動畫和問題。
雖然這個是關於人類呼吸系統的，但它有一個很好的圖表，當你將滑鼠懸停在上面時會顯示各個部位的功能。它還包含一個關於氣體交換的動畫和一個測試你對氣體交換理解的測驗。
維基百科關於肺部的條目。它包含很多關於人類呼吸系統的有用資訊，還有各種連結，如果你感興趣的話。