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39.1: 气体交换系统

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    202318

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    培养技能

    • 描述空气从外部环境流向肺部的过程
    • 解释如何保护肺部免受颗粒物侵害

    呼吸系统的主要功能是向人体组织的细胞输送氧气并去除二氧化碳，这是一种细胞废物。 人体呼吸系统的主要结构是鼻腔、气管和肺部。

    所有有氧生物都需要氧气才能发挥其新陈代谢功能。 沿着进化树，不同的生物设计了从周围大气中获取氧气的不同方法。 动物的生活环境在很大程度上决定了动物的呼吸方式。 呼吸系统的复杂性与生物体的大小相关。 随着动物体型的增加，扩散距离增加，表面积与体积的比率下降。 在单细胞生物中，在细胞膜上的扩散足以向细胞提供氧气（图\(\PageIndex{1}\)）。 扩散是一个缓慢的被动传输过程。 为了使扩散成为向细胞提供氧气的可行手段，吸收氧气的速率必须与膜上的扩散速率相匹配。 换句话说，如果细胞非常大或很厚，扩散将无法足够快地向细胞内部提供氧气。 因此，依赖扩散作为获取氧气和去除二氧化碳的手段仍然可行，只有小型生物或身体高度扁平的生物，例如许多扁虫（Platyhelminthes）。 较大的生物必须进化出专门的呼吸组织，例如鳃部、肺部和伴有复杂循环系统的呼吸通道，才能将氧气输送到全身。

    照片显示了一个圆形的绿色细胞，表面光滑、有光泽。 细胞类似于气球。
    图\(\PageIndex{1}\)：单细胞藻类 Ventricaria ventricosa 的细胞是已知最大的细胞之一，直径达到一到五厘米。 像所有单细胞生物一样，V. ventricosa 在细胞膜上交换气体。

    直接扩散

    对于小型多细胞生物来说，在外膜上的扩散足以满足其氧气需求。 对于直径小于 1 mm 的生物，通过直接扩散在表面膜上进行气体交换是有效的。 在简单的生物体中，例如刺胞动物和扁虫，体内的每个细胞都靠近外部环境。 它们的细胞保持湿润，气体通过直接扩散迅速扩散。 扁虫是小的，字面意思是扁虫，它们通过扩散到外膜来 “呼吸”（图\(\PageIndex{2}\)）。 这些生物的扁平形状增加了扩散的表面积，确保了体内的每个细胞都靠近外膜表面并且可以获得氧气。 如果扁虫的身体是圆柱形的，那么中心的细胞将无法获得氧气。

    照片显示了一只蠕虫，身体呈扁平的丝带状，躺在沙滩上。 蠕虫是黑色的，有白色斑点。
    图\(\PageIndex{2}\)：这种扁虫的呼吸过程通过在外膜上扩散而起作用。 （来源：斯蒂芬·查尔兹）

    皮肤和

    蚯蚓、两栖动物使用它们的皮肤（外皮）作为呼吸器官。 密集的毛细血管网络位于皮肤下方，促进外部环境和循环系统之间的气体交换。 呼吸表面必须保持湿润，以便气体溶解并在细胞膜上扩散。

    生活在水中的生物需要从水中获取氧气。 氧气溶解在水中，但浓度低于大气中的浓度。 大气中大约有 21% 的氧气。 在水中，氧气浓度远小于该浓度。 鱼类和许多其他水生生物进化出鳃来吸收水中的溶解氧（图\(\PageIndex{3}\)）。 鳃是高度分支和折叠的薄组织丝。 当水经过鳃时，水中的溶解氧会迅速通过鳃扩散到血液中。 然后，循环系统可以将含氧血液输送到身体的其他部位。 在含有 coelomic 液体而不是血液的动物中，氧气会通过鳃表面扩散到 coelomic 液体中。 鳃存在于软体动物、环节动物和甲壳类动物中。

    照片显示了一条鲤鱼，头部后部有一块楔形的皮被割掉了，露出了粉红色的。
    图\(\PageIndex{3}\)：这种普通鲤鱼和许多其他水生生物一样，有鳃可以从水中获取氧气。 （来源：“Guitardude012” /维基共享资源）

    鳃的折叠表面提供了较大的表面积，以确保鱼获得足够的氧气。 扩散是一个过程，在这个过程中，材料从高浓度区域传播到低浓度区域，直到达到平衡。 在这种情况下，氧分子浓度低的血液会通过鳃循环。 水中氧分子的浓度高于鳃中氧分子的浓度。 结果，氧分子从水（高浓度）扩散到血液（低浓度），如图所示\(\PageIndex{4}\)。 同样，血液中的二氧化碳分子从血液（高浓度）扩散到水（低浓度）。

    插图显示了一条鱼，头部后面有一个方框，表示鳃的位置。 一张特写图像显示了鲱鱼，每个鳃都像羽毛状蠕虫。 两堆鳃附着在一个叫做柱状鳃拱的结构上，形成一个高大的 V。水从 V 形外侧流入，在每根鳃之间，然后从 V 静脉的顶部流出，从鳃弓的底部进入鳃中，动脉从对面流出。 单个鳃的特写图像显示，水在鳃上流动，先经过脱氧静脉，然后越过含氧动脉。
    图\(\PageIndex{4}\)：当水流过鳃时，氧气通过静脉转移到血液中。 （来源 “鱼”：NOAA Duane Raver 对作品的修改）

    气管系统

    昆虫的呼吸与其循环系统无关；因此，血液在氧气运输中不起直接作用。 昆虫有一种高度专业化的呼吸系统，称为气管系统，它由一个将氧气输送到全身的小管网络组成。 气管系统是活跃动物中最直接、最有效的呼吸系统。 气管系统中的管子由一种叫做甲壳素的聚合物材料制成。

    昆虫身体的胸部和腹部有称为螺旋的开口。 这些开口连接到管状网络，允许氧气进入人体（图\(\PageIndex{5}\)）并调节二氧化碳和水蒸气的扩散。 空气通过螺旋进入和离开气管系统。 有些昆虫可以通过身体运动使气管系统通风。

    该图显示了蜜蜂的气管系统。 身体侧面会出现称为螺旋的开口。 垂直的管子从螺旋通向一条从前向后沿着身体顶部延伸的管子。
    图\(\PageIndex{5}\)：昆虫通过气管系统进行呼吸。

    哺乳动物系统

    在哺乳动物中，肺通气是通过吸入（呼吸）进行的。 在吸入过程中，空气通过位于鼻子内部的鼻腔进入人体（图\(\PageIndex{6}\)）。 当空气通过鼻腔时，空气被加热到体温并加湿。 呼吸道上涂有粘液，以防止组织与空气直接接触。 粘液在水中的含量很高。 当空气穿过粘膜的这些表面时，它会吸收水分。 这些过程有助于平衡空气与身体状况，减少寒冷干燥空气可能造成的任何损害。 漂浮在空气中的颗粒物通过粘液和纤毛在鼻道中被去除。 升温、加湿和去除颗粒的过程是防止气管和肺部受损的重要保护机制。 因此，吸入除了将氧气带入呼吸系统外，还有多种用途。

    艺术连接

    该插图显示了空气通过人体呼吸系统的流动。 鼻腔是鼻孔上方和后面的宽腔，咽部是口腔后面的通道。 鼻腔和咽部通过喉部连接并进入气管。 喉部比气管宽一些，扁平。 气管有同心的环状凹槽，外观凹凸不平。 气管分裂成两个主要支气管，它们也是开槽的。 初级支气管进入肺部，分支到次要支气管。 次要支气管反过来分支成许多第三支气管。 第三支气管分支成细支气管，细支气管分支成末端细支气管。 每个末端细支气管以肺泡囊结尾。 每个肺泡囊都含有许多聚集在一起的肺泡，比如一束葡萄。 肺泡导管是进入肺泡囊的空气通道。 肺泡是空心的，空气排入其中。 肺动脉将脱氧血液带入肺泡囊（因此显示为蓝色），肺静脉将含氧血液（因此显示为红色）返回心脏。 毛细血管在每个肺泡周围形成一个网。 隔膜是一种向上推向肺部的膜。
    图\(\PageIndex{6}\)：空气通过鼻腔和咽部进入呼吸系统，然后通过气管进入支气管，支气管将空气带入肺部。 （来源：NCI 对作品的修改）

    以下关于哺乳动物呼吸系统的陈述中哪一项是错误的？

    1. 当我们呼吸时，空气从咽部流向气管。
    2. 细支气管分支成支气管。
    3. 肺泡导管连接到肺泡囊。
    4. 肺和血液之间的气体交换发生在肺泡中。

    空气从鼻腔穿过咽部（喉咙）和喉部（语音箱），然后进入气管（图\(\PageIndex{6}\)）。 气管的主要功能是将吸入的空气输送到肺部，将呼出的空气从体外排出。 人体气管是一个长约 10 到 12 厘米、直径 2 厘米的圆柱体，位于食道前，从喉部延伸到胸腔，在胸中分为两个主支气管。 它由不完整的透明软骨和平滑肌环组成（图\(\PageIndex{7}\)）。 气管内衬有产生粘液的高脚杯细胞和纤毛上皮。 纤毛将困在粘液中的异物推向咽部。 软骨为气管提供力量和支撑，以保持通道畅通。 平滑肌会收缩，减小气管的直径，这会导致过期的空气以很大的力量从肺部向上冲动。 当我们咳嗽时，强制呼气有助于排出粘液。 平滑肌可以收缩或放松，这取决于外部环境或人体神经系统的刺激。

    插图显示了气管或气管。 喉部是气管顶部的宽项圈。 在底部，气管分裂成较小的管子，称为原发支气管，进入右肺和左肺。 在肺内，支气管分支到初级和次级支气管，然后分支成细支气管。
    图\(\PageIndex{7}\)：气管和支气管由不完整的软骨环组成。 （来源：《格雷解剖学》对作品的修改）

    肺部：支气管和肺泡

    气管末端向右肺和左肺分开（分裂）。 肺部不一样。 右肺较大，包含三个叶片，而较小的左肺包含两个叶片（图\(\PageIndex{8}\)）。 促进呼吸的肌肉隔膜不如肺部（下方），标志着胸腔的末端。

    插图显示了气管，气管从颈部顶部开始，一直延伸到胸部，然后分支到支气管，支气管进入肺部。 左肺有两个叶片。 上叶位于下叶的前方和上方。 右肺有三个裂片。 上叶在顶部，下叶在底部，中间的叶夹在它们之间。 隔膜压在肺部底部，皮肤看起来像拉伸到鼓的顶部。 隔膜的宽瓣在机身的左前和右两侧向下延伸。 在背面，脊柱两侧的薄隔膜瓣向下伸展。
    图\(\PageIndex{8}\)：气管分叉成肺部的左右支气管。 右肺由三个叶组成，更大。 为了容纳心脏，左肺较小，只有两个叶片。

    在肺部，空气被转移到越来越小的通道或支气管。 空气通过两个主要（主）支气管（单数：支气管）进入肺部。 每个支气管分为次要支气管，然后分为第三支气管，第三支气管反过来又分裂，在肺部分裂和扩散时会产生越来越小直径的细支气管。 像气管一样，支气管由软骨和平滑肌组成。 在细支气管处，软骨被弹性纤维所取代。 支气管由副交感神经和交感神经系统的神经支配，这些神经控制支气管和细支气管的肌肉收缩（副交感神经）或松弛（交感神经），具体取决于神经系统的线索。 在人类中，直径小于0.5毫米的细支气管是呼吸细支气管。 它们缺乏软骨，因此依靠吸入的空气来支撑其形状。 随着通道直径的减小，平滑肌的相对量也会增加。

    末端细支气管细分为称为呼吸细支气管的微观分支。 呼吸细支气管细分为几个肺泡导管。 肺泡导管周围有许多肺泡和肺泡囊。 肺泡囊类似于拴在细支气管末端的一束葡萄（图\(\PageIndex{9}\)）。 在腺泡区域，肺泡导管附着在每个细支气管的末端。 每个导管的末端大约有 100 个肺泡囊，每个肺泡囊含有 20 到 30 个直径为 200 到 300 微米的肺泡。 气体交换仅发生在肺泡中。 肺泡由薄壁实质细胞组成，通常为单细胞厚，看起来像囊内的微小气泡。 肺泡与循环系统的毛细血管（单细胞厚）直接接触。 这种亲密接触可确保氧气从肺泡扩散到血液中并分布到人体细胞。 此外，细胞作为废物产生的二氧化碳将从血液中扩散到肺泡中进行呼气。 毛细血管和肺泡的解剖排列强调呼吸系统和循环系统的结构和功能关系。 由于每个肺泡囊内有太多的肺泡（每个肺泡约3亿），每个肺泡管末端有那么多囊，因此肺具有海绵状的稠度。 该组织产生的表面积非常大，可用于气体交换。 肺泡的表面积约为 75 m 2。 如此大的表面积，再加上肺泡实质细胞的薄壁特性，使气体很容易在细胞中扩散。

    图中显示了一根末端支气管分支成三个肺泡导管。 每个管道的末端都有一个肺泡囊，由 20 到 30 个肺泡组成，像葡萄一样聚集在一起。 肺泡囊中间的空域，称为中庭，与肺泡内的空气空间是连续的，因此空气可以从中庭循环到肺泡。 毛细血管环绕着每个肺泡，这是气体交换发生的地方。 肺动脉（以蓝色显示）沿着末端细支气管延伸，将脱氧血液从心脏带到肺泡。 沿着支气管延伸的肺静脉（以红色显示）将含氧血液带回心脏。 小而扁平的粘液腺与支气管外侧有关。
    图\(\PageIndex{9}\)：末端细支气管通过呼吸细支气管与肺泡导管和肺泡囊相连。 每个肺泡囊含有 20 到 30 个球形肺泡，外观像一堆葡萄。 空气流入肺泡囊的中庭，然后循环进入肺泡，在那里与毛细血管进行气体交换。 粘液腺将粘液分泌到呼吸道中，使其保持湿润和弹性。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    链接到学习

    观看以下视频以查看呼吸系统。

    保护机制

    生物体呼吸的空气含有颗粒物，例如灰尘、污垢、病毒颗粒和细菌，这些颗粒物会损害肺部或引发过敏性免疫反应。 呼吸系统包含多种保护机制，可避免问题或组织损伤。 在鼻腔中，毛发和粘液会捕获小颗粒、病毒、细菌、灰尘和污垢，以防止它们进入。

    如果颗粒物确实进入鼻子之外或通过口腔进入，则肺部的支气管和细支气管也含有多种保护装置。 肺部会产生粘液 ——一种由粘蛋白、一种复杂的糖蛋白以及盐和水构成的粘性物质，可以捕获颗粒物。 支气管和细支气管含有纤毛，支气管壁和细支气管壁上排列的小毛状突起（图\(\PageIndex{10}\)）。 这些纤毛齐心协力跳动，将粘液和颗粒从支气管和细支气管中移回喉咙，然后通过食道将其吞下并消除。

    例如，在人类中，香烟烟雾中的焦油和其他物质会破坏纤毛或使其瘫痪，从而使去除颗粒变得更加困难。 此外，吸烟会导致肺部产生更多的粘液，受损的纤毛无法移动。 这会导致持续咳嗽，因为肺部会努力清除颗粒物，并使吸烟者更容易患呼吸系统疾病。

    在这张显微照片中，纤毛是长而细的毛状突起。
    图\(\PageIndex{10}\)：支气管和细支气管含有纤毛，有助于将粘液和其他颗粒移出肺部。 （来源：路易莎·霍华德，达特茅斯电子显微镜设施对作品的修改）

    摘要

    动物呼吸系统旨在促进气体交换。 在哺乳动物中，鼻腔中的空气会变暖和加湿。 然后，空气沿着咽部流动，穿过气管，进入肺部。 在肺部，空气通过分支的支气管，到达呼吸细支气管，呼吸细支气管是第一个气体交换部位。 呼吸细支气管通向肺泡导管、肺泡囊和肺泡。 由于肺泡和肺泡囊太多，因此气体交换的表面积非常大。 有几种保护机制可以防止损坏或感染。 这些包括鼻腔中的头发和粘液，它们会在灰尘、污垢和其他颗粒物进入系统之前将其捕获。 在肺部，颗粒被困在粘液层中，然后通过纤毛输送到气管顶部的食管口进行吞咽。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{6}\)：以下关于哺乳动物呼吸系统的陈述中哪一项是错误的？

    1. 当我们呼吸时，空气从咽部流向气管。
    2. 细支气管分支成支气管。
    3. 肺泡导管连接到肺泡囊。
    4. 肺和血液之间的气体交换发生在肺泡中。
    回答

    B

    词汇表

    肺泡导管
    从末端细支气管延伸到肺泡囊的导管
    肺泡囊
    由两个或多个共用一个公共开口的肺泡组成的结构
    肺泡
    （复数：肺泡）（也称为气囊）发生气体交换的肺末端区域
    支气管
    （复数：支气管）软骨组织的较小分支，源自气管；空气通过支气管输送到肺泡中发生气体交换的区域
    细支气管
    从主三级支气管延伸到肺泡囊的气道
    隔膜
    位于肺部下方的圆顶形骨骼肌，将胸腔与腹腔分开
    喉
    语音信箱，连接咽部和气管的短通道
    粘蛋白
    粘液中发现复合糖蛋白
    粘液
    肺中含有粘性蛋白质的液体分泌物，可捕获颗粒物排出体外
    鼻腔
    向外部环境开放呼吸系统
    颗粒物
    空气中的小颗粒，例如灰尘、污垢、病毒颗粒和细菌
    咽
    喉咙；一根管子从内鼻开始，一直延伸到脖子的一半，然后通向食道和喉部
    原发性支气管
    （也是主支气管）肺内气道区域，该区域附着在气管上，分叉到每个肺部，然后分支成次要支气管
    呼吸细支气管
    细支气管树的末端部分，附着在末端细支气管和肺泡导管、肺泡囊和肺泡上
    末端细支气管
    附着在呼吸细支气管上的细支气管区域
    气管
    将空气从喉部输送到主支气管的软骨管