GCSE 科學/呼吸與呼吸作用

呼吸

呼吸是一個物理過程，在此過程中，富含氧氣的空氣被吸入肺部，富含二氧化碳的空氣被排出肺部。它包括兩個步驟，吸氣和呼氣。

吸氣呼氣

i)肋骨向上和向外移動。 i)肋骨向下和向內移動。

ii)橫膈膜被向下推並變平。 ii)橫膈膜向上移動並呈圓頂狀。

iii)胸腔容積增加。 iii)胸腔容積減小。

iv)肺部擴張，氣壓降低。 iv)肺部尺寸減小，氣壓升高。

v)大氣壓更高的空氣湧入肺部。 v)空氣從肺部湧出，因為大氣壓更低。

脖子和肋骨底部之間的身體區域被稱為胸部。胸部的主要器官是心臟、肺和舌頭。肺和相關的氣道使我們能夠呼吸。

在頭部，氣道包括口腔和鼻腔。空氣和食物在喉嚨中有共同的通道。

從脖子到肺部的呼吸道有以下分支

喉或聲帶。這是產生語音和聲音的地方。
氣管或氣管。
兩個管子，每個都被稱為支氣管，複數支氣管。
細支氣管，是每個支氣管的細分。
肺泡，是呼吸道末端的囊，使血液能夠氧合。

呼吸的關鍵特徵是，當我們吸氣時，肋骨之間的肋間肌和橫膈膜都會收縮；當我們呼氣時，這兩塊肌肉都會放鬆。當我們吸氣時，肋間肌的收縮會將胸骨拉起來並遠離身體，橫膈膜的下降會增加胸腔的容積。請注意，在休息狀態（呼氣）下，橫膈膜會向上隆起在肺部下方，肺部本身具有彈性，會將橫膈膜拉回到這個位置。

以下插圖是對人體肺部外觀的解剖學正確描述。肺組織本身在非吸菸的農村人身上呈現粉紅色，在生活在城市的吸菸者身上幾乎呈黑色。

肺位於胸腔內，與心臟和主要血管並列。 (來源：*人體解剖學*，第 20 版。1918 年。)

在這幅圖中，肺組織已經被解剖去除，以露出細支氣管。 (來源：*人體解剖學*，第 20 版。1918 年。)

血液的氧合

肺部的兩個主要功能是為血液提供氧氣和去除廢二氧化碳。

血液在肺泡中被氧合。肺泡壁薄，周圍有毛細血管。血液從肺動脈進入肺泡周圍的毛細血管網，並透過肺靜脈離開毛細血管網。

更多解剖學圖示；r. b 呼吸性細支氣管；al. d 肺泡導管；at 肺泡；a. s 肺泡囊；'a' 肺泡或氣室；p. a.: 肺動脈: p. v 肺靜脈; l 淋巴管; l. n 淋巴結。**格氏解剖學**，1918 年

氧氣透過肺泡和毛細血管壁擴散到血液中，二氧化碳從血液中擴散出來。肺泡的表面積約為 70 平方米，使這種氣體交換儘可能快。

二氧化碳溶解在水中，可以容易地可逆地形成碳酸和碳酸氫鹽等化合物。

氧氣在水中的溶解度很低，為了克服這個問題，血液中的氧氣儲存在紅細胞中。它們包含血紅蛋白，血紅蛋白可以與氧氣結合形成氧合血紅蛋白。紅細胞包含血液中的氧氣。血液將氧氣從肺部輸送到身體的其他部位。

氧合血紅蛋白呈鮮紅色，血紅蛋白呈暗紅色，這就是為什麼靜脈看起來很暗，為什麼所有圖表都將靜脈顯示為藍色，動脈顯示為紅色的原因。唯一的例外是肺動脈，它將暗紅色的脫氧血輸送到肺部，而肺靜脈則將鮮紅色的氧合血從肺部帶走。

撥出空氣（撥出的空氣）的成分與吸入空氣（吸入的空氣）的成分有很大不同。吸入的空氣與正常空氣的成分相同，它包含

78% 氮氣
21% 氧氣
1% 惰性氣體，如氬氣
0.04% 二氧化碳
少量水蒸氣

撥出的空氣中氧氣含量較低，二氧化碳含量較高，而且還飽和了水蒸氣。撥出的空氣中包含

78% 氮氣
16% 氧氣
1% 惰性氣體，如氬氣
4% 二氧化碳
飽和水蒸氣

吸入空氣和撥出空氣中氧氣量的差異等於撥出空氣和吸入空氣中二氧化碳量的差異。

肺泡為氣體交換進行的特殊適應包括

薄壁
巨大的表面積
被毛細血管覆蓋，以提供血液
潮溼的襯裡，以溶解氣體

呼吸作用

有氧呼吸

呼吸作用是將葡萄糖等富含能量的分子中的化學鍵轉化為生命過程可用能量的過程。有氧呼吸利用氧氣氧化葡萄糖併產生能量。葡萄糖氧化的方程式為

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 釋放的能量

葡萄糖 + 氧氣 -> 二氧化碳 + 水 + 釋放的能量

在火災中，能量會以光和熱的形式大量不受控制地釋放出來。呼吸作用是一個類似的過程，但它以漸進的步驟發生。

大多數動物和植物使用有氧呼吸作為主要能量來源。

葡萄糖 + 氧氣 -> 二氧化碳 + 水 + 能量

線粒體

線粒體是細胞器，在細胞質中漂浮，存在於植物細胞和動物細胞中。在細胞中，有氧呼吸發生線上粒體中。在這裡，能量以一種稱為 ATP 的化合物的形式產生。然而，一部分產生的能量會以熱能的形式損失。ATP 驅動化學反應，並被細胞用作進行這些反應的能量來源。

無氧呼吸

當一個人進行非常劇烈的運動，血液無法提供足夠的氧氣時，就會發生另一種型別的呼吸作用。這種呼吸作用將葡萄糖轉化為能量，而不需要氧氣，被稱為無氧呼吸。反應是

葡萄糖 → 釋放的能量 + 乳酸

無氧呼吸釋放的能量少於有氧呼吸。不幸的是，導致無氧呼吸的血液供應不足也意味著乳酸會在肌肉中積累。高濃度的乳酸會引起疼痛，並表現為抽筋。運動停止後，血液供應能夠提供足夠的氧氣，將乳酸轉化為二氧化碳和水，但這需要時間，在乳酸轉化完畢之前，肌肉疼痛可能會持續存在。

由於有氧呼吸，肌肉中積累的乳酸需要氧氣來氧化，所需的氧氣量被稱為 **氧債**。二氧化碳和乳酸都會導致呼吸頻率和心率增加，從而幫助身體償還氧債。這就是為什麼運動後我們仍然會喘不過氣的原因。如果運動員的體能很好，他們的迴圈系統可以更快地提供額外的氧氣，他們的 **恢復時間**（恢復正常呼吸和脈搏所需的時間）將比不健康的人短。

酵母菌和無氧呼吸

許多酵母菌和真菌能夠直接將葡萄糖轉化為能量，而無需氧氣。酒精飲料中使用的乙醇就是酵母菌無氧呼吸的結果，反應方程式如下：

葡萄糖 → 釋放的能量 + 乙醇 + 二氧化碳

釀酒師使用各種釀酒酵母來生產酒精。在香檳等含氣酒精飲料中，瓶子會被緊緊地封住以防止二氧化碳逸出。