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16.2: 消化系统

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    所有活生物都需要营养才能生存。 虽然植物可以通过光合作用从根部获得营养和细胞功能所需的能量分子，但动物通过消耗其他生物来获得营养。 在细胞层面，动物功能所必需的生物分子是氨基酸、脂质分子、核苷酸和单糖。 但是，食用的食物由蛋白质、脂肪和复合碳水化合物组成。 动物必须将这些大分子转化为维持细胞功能所需的简单分子。 将消耗的食物转化为所需的营养素是一个涉及消化和吸收的多步骤过程。 在消化过程中，食物颗粒被分解成较小的成分，然后被人体吸收。 这既是通过咀嚼等物理手段发生的，也是通过化学手段发生的。

    人类营养面临的挑战之一是保持食物摄入、储存和能量消耗之间的平衡。 摄取的食物能量多于活动中消耗的能量，会导致多余的食物以脂肪沉积物的形式储存。 肥胖症的增加以及由此产生的疾病（如2型糖尿病）使得理解饮食和营养在维持身体健康方面的作用变得更加重要。

    人体消化系统

    消化过程从口腔开始，摄入食物（图\(\PageIndex{1}\)）。 牙齿在咀嚼（咀嚼）食物或将食物物理分解成小颗粒方面起着重要作用。 唾液中存在的酶也开始化学分解食物。 然后食物被吞下并进入食道，这是一根连接口腔和胃部的长管。 使用蠕动或波浪状的平滑肌收缩，食道的肌肉将食物推向胃部。 胃内容物的酸性极强，pH 值介于 1.5 到 2.5 之间。 这种酸度会杀死微生物，分解食物组织并激活消化酶。 食物的进一步分解发生在小肠中，肝脏产生的胆汁以及小肠和胰腺产生的酶继续消化过程。 较小的分子通过小肠壁内的上皮细胞被吸收到血液中。 废物流入大肠，在那里吸收水分，然后将较干燥的废料压实成粪便；它会被储存直到通过肛门排出体外。

    人体消化系统的基本组成部分从口腔开始。 食物通过食道吞入肾形胃。 肝脏位于胃的顶部，胰腺位于胃的下方。 食物从胃传递到长而曲折的小肠。 它从那里进入宽大肠，然后通过肛门。 在小肠和大肠的交界处有一个叫做 cecum 的小袋。
    图\(\PageIndex{1}\)：显示了人体消化系统的组成部分。

    口腔

    物理和化学消化都从口腔或口腔开始，口腔是食物进入消化系统的入口。 通过咀嚼，即牙齿的咀嚼作用，食物会被分解成较小的颗粒。 所有哺乳动物都有牙齿，可以咀嚼食物，开始将其物理分解成小颗粒的过程。

    消化的化学过程始于咀嚼，因为食物与唾液腺产生的唾液混合（图\(\PageIndex{2}\)）。 唾液含有粘液，可滋润食物并缓冲食物的 pH 值。 唾液还含有溶菌酶，具有抗菌作用。 它还含有一种叫做唾液淀粉酶的酶，该酶开始了将食物中的淀粉转化为称为麦芽糖的二糖的过程。 另一种叫做脂肪酶的酶是由舌头中的细胞产生的，用于分解脂肪。 牙齿和唾液提供的咀嚼和润湿作用使食物制成一种称为推注的肿块，用于吞咽。 舌头有助于吞咽——将推注从口腔移入咽部。 咽部通向两条通道：食道和气管。 食道通向胃，气管通向肺部。 会厌是一种组织皮瓣，在吞咽过程中覆盖气管开口，以防止食物进入肺部。

    图 A 显示了人体口腔的各个部分。 舌头放在嘴的下半部分。 从嘴后悬垂的皮瓣是悬垂。 悬雍垂后面的气道称为咽部，向上延伸至鼻腔后部，向下延伸至食道，食道始于颈部。 图 B 显示了两个唾液腺，分别位于舌下、舌下和颌下。 第三个唾液腺是腮腺，位于耳前。
    图\(\PageIndex{2}\)：（a）食物的消化从口腔开始。 (b) 食物被牙齿咀嚼，并被唾液腺分泌的唾液弄湿。 唾液中的酶开始消化淀粉和脂肪。 在舌头的帮助下，由此产生的推注通过吞咽进入食道。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    食道

    食道是连接口腔和胃的管状器官。 咀嚼过的软化食物在被吞下后会通过食道。 食道的平滑肌会经历蠕动，将食物推向胃部。 蠕动波是单向的，它会将食物从口腔转移到胃部，除非出现呕吐反射，否则不可能反向移动。 食道的蠕动运动是一种非自愿的反射；它是对吞咽行为的反应而发生的。

    称为括约肌的环状肌肉在消化系统中形成瓣膜。 胃食管括约肌（或心脏括约肌）位于食道的胃端。 为了应对吞咽和推注食物所施加的压力，这个括约肌会打开，推注进入胃中。 当没有吞咽作用时，这个括约肌会被关闭，防止胃中的内容物向食道上移动。 当酸性消化液逸入食道时，就会发生胃酸倒流或 “胃灼热”。

    胃

    很大一部分蛋白质消化发生在胃中（图\(\PageIndex{4}\)）。 胃是分泌胃消化液的囊状器官。

    蛋白质消化由胃腔中一种叫做胃蛋白酶的酶进行。 高酸性环境会杀死食物中的许多微生物，再加上胃蛋白酶的作用，导致食物中蛋白质的分解代谢。 平滑肌收缩和松弛引起的胃部搅动作用促进了化学消化。 部分消化的食物和胃液混合物被称为 chyme。 胃排空发生在饭后两到六小时内。 一次只有少量的 chyme 被释放到小肠中。 chyme 从胃到小肠的运动受影响幽门括约肌的激素、胃胀和肌肉反射的调节。

    胃壁不受胃蛋白酶和酸度的影响，因为胃蛋白酶以非活性形式释放，胃的粘液层很厚，可以保护底层组织。

    小肠

    Chyme 从胃移到小肠。 小肠是完成蛋白质、脂肪和碳水化合物消化的器官。 小肠是一种长管状器官，表面高度折叠，含有称为绒毛的手指状突起。 每个绒毛的顶部表面都有许多称为微绒毛的微观投影。 这些结构的上皮细胞从消化的食物中吸收营养，并将其释放到另一侧的血液中。 绒毛和微绒毛有许多褶皱，增加了小肠的表面积并提高了营养素的吸收效率。

    人类小肠长度超过6米（19.6英尺），分为三个部分：十二指肠、空肠和回肠。 十二指肠通过幽门括约肌与胃分开。 chyme 与胰液混合，胰液是一种富含碳酸氢盐的碱性溶液，可中和胃中 chyme 的酸度。 胰液含有多种消化酶，可分解淀粉、二糖、蛋白质和脂肪。 胆汁在肝脏中产生，储存并浓缩在胆囊中；它通过胆管进入十二指肠。 胆汁含有胆汁盐，可使水溶性酶获得脂质。 单糖、氨基酸、胆汁盐、维生素和其他营养素被肠壁细胞吸收。

    未消化的食物通过蠕动运动从回肠输送到结肠。 回肠结束，大肠从回盲瓣开始。 vermiform “蠕虫状” 的阑尾位于回盲瓣处。 人类的阑尾在免疫中的作用很小。

    大肠

    大肠重新吸收难以消化的食物中的水分并处理废物（图\(\PageIndex{3}\)）。 与小肠相比，人类大肠的长度要小得多，但直径更大。 它有三个部分：盲肠、结肠和直肠。 盲肠将回肠与结肠相连，是废物的接收袋。 结肠是许多有助于消化过程的细菌或 “肠道菌群” 的家园。 结肠有四个区域：升结肠、横结肠、降结肠和乙状结肠。 结肠的主要功能是从未消化的食物中提取水和矿物盐，并储存废物。

    插图显示了大肠的结构，大肠从上升结肠开始。 上升结肠下方是盲肠。 vermiform 阑尾是盲肠底部的一个小投影。 上升结肠从身体右侧向上移动，然后变成横结肠。 在身体的左侧，大肠再次变成下降的结肠。 在底部，下降的结肠向上弯曲；这部分肠道被称为乙状结肠。 乙状结肠排入直肠。 直肠直向下移动，直至肛门。
    图\(\PageIndex{3}\)：大肠重新吸收未消化食物中的水分，储存废物直至被消除。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    直肠（图\(\PageIndex{3}\)）储存粪便直至排便。 在排泄过程中，通过蠕动运动推动粪便。 肛门是消化道远端的开口，也是废物的出口点。 两个括约肌调节粪便的排出，内括约肌是非自愿的，外括约肌是自愿的。

    辅助器官

    上面讨论的器官是食物通过的消化道器官。 辅助器官会添加分泌物和酶，将食物分解成营养素。 辅助器官包括唾液腺、肝脏、胰腺和胆囊。 肝脏、胰腺和胆囊的分泌物受激素调节，以应对食物消耗。

    肝脏是人类最大的内脏器官，在消化脂肪和排毒血液中起着重要作用。 肝脏会产生胆汁，胆汁是分解十二指肠中脂肪所必需的消化液。 肝脏还处理吸收的维生素和脂肪酸，并合成许多血浆蛋白。 胆囊是一个小器官，它通过储存胆汁和浓缩胆汁盐来帮助肝脏。

    胰腺分泌可中和酸性胆汁的碳酸氢盐和用于消化蛋白质和碳水化合物的各种酶。

    艺术连接

    插图显示了人类的下消化系统，它始于胃，即位于大肠上方的囊。 胃排入小肠，小肠是一根长而高度折叠的管子。 小肠的起点称为十二指肠，中间的长部分称为空肠，末端称为回肠。 回肠排入身体右侧的大肠中。 小肠和大肠交界处下方有一个叫做 cecum 的小袋。 阑尾位于盲肠的底端。 大肠从身体的左侧向上移动，穿过小肠的顶部，然后沿着身体的右侧向下移动。 大肠的这些部分分别称为升结肠、横结肠和降结肠。 大肠排入直肠，直肠与肛门相连。 胰腺夹在胃和大肠之间。 肝脏是一个三角形器官，位于胃的上方，稍微偏向胃的右侧。 胆囊是肝脏和胃之间的小球茎。
    图\(\PageIndex{4}\)：胃的环境极其酸性，大部分蛋白质会被消化。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    以下关于消化系统的陈述中哪一项是错误的？

    1. Chyme 是食物和消化液的混合物，在胃中产生。
    2. 食物先进入大肠，然后进入小肠。
    3. 在小肠中，chyme 与胆汁混合，胆汁会乳化脂肪。
    4. 胃被幽门括约肌与小肠分开。

    营养

    人类饮食应保持均衡，以提供身体机能所需的营养，以及维持身体健康和生殖能力所需的结构和调节所需的矿物质和维生素（图\(\PageIndex{5}\)）。

    健康饮食标志显示了一个分为四个部分的盘子，分别标有 “水果”、“蔬菜”、“谷物” 和 “蛋白质”。 蔬菜部分比其他三个稍大。 盘子侧面的圆圈标有 “乳制品”。 牌照下方是网址 “选择我的牌照 dot gov”。
    图\(\PageIndex{5}\)：对人类而言，均衡饮食包括水果、蔬菜、谷物、蛋白质和乳制品。 （来源：美国农业部）

    概念在行动

    代表网址的二维码

    浏览美国农业部的这个互动网站，详细了解每种食物类别和每日建议摄入量。

    构建细胞材料和组织所需的有机分子必须来自食物。 在消化过程中，可消化的碳水化合物最终会分解成葡萄糖，用于在人体细胞内提供能量。 复杂的碳水化合物，包括多糖，可以通过生化修饰分解成葡萄糖；但是，人类不会产生消化纤维素（纤维）所需的酶。 人体肠道中的肠道菌群能够从这些植物纤维中提取一些营养。 这些植物纤维被称为膳食纤维，是饮食的重要组成部分。 体内多余的糖分被转化为糖原并储存在肝脏和肌肉组织中以备日后使用。 糖原储存用于为长时间的劳累（例如长途跑步）提供燃料，并在食物短缺期间提供能量。 脂肪储存在哺乳动物的皮肤下以进行隔热和能量储备。

    食物中的蛋白质在消化过程中被分解，由此产生的氨基酸被吸收。 体内的所有蛋白质都必须由这些氨基酸成分构成；没有蛋白质直接从食物中获得。

    脂肪为食物增添风味，促进饱腹感或饱腹感。 高脂肪食物也是重要的能量来源，脂肪酸是构建脂质膜所必需的。 饮食中还需要脂肪来帮助吸收脂溶性维生素和产生脂溶性激素。

    虽然动物体可以从前体中合成功能所需的许多分子，但有些营养素必须从食物中获得。 这些营养素被称为必需营养素，这意味着它们必须被食用，因为人体无法产生它们。

    脂肪酸 omega-3 α-亚麻酸和 omega-6 亚油酸是制造某些膜磷脂所需的必需脂肪酸。 维生素是另一类需要少量使用的必需有机分子。 其中许多有助于酶发挥其功能，因此，它们被称为辅酶。 缺乏维生素或维生素含量低会对健康产生巨大影响。 矿物质是另一组必须从食物中获取的无机必需营养素。 矿物质具有多种功能，从肌肉和神经功能到充当酶辅助因子。 某些氨基酸也必须从食物中获取，不能由人体合成。 这些氨基酸是 “必需” 氨基酸。 人体只能合成20种必需氨基酸中的11种；其余的必须从食物中获得。

    生物学在行动：肥胖

    由于美国的肥胖率很高，公共卫生的重点是减少肥胖和相关的健康风险，包括糖尿病、结肠癌和乳腺癌以及心血管疾病。 食用的食物如何导致肥胖？

    高脂肪食物卡路里密集，这意味着它们每单位质量比碳水化合物或蛋白质含有更多的卡路里。 一克碳水化合物含有四卡路里，一克蛋白质含有四卡路里，一克脂肪含有九卡路里。 动物倾向于寻找富含脂质的食物，因为它们的能量含量更高。 摄取的食物能量超过人体所需的能量将导致多余的脂肪沉积物被储存。

    肝脏使用过量的碳水化合物来合成糖原。 当糖原储量满时，额外的葡萄糖会转化为脂肪酸。 这些脂肪酸储存在脂肪组织细胞中，脂肪组织细胞是哺乳动物体内的脂肪细胞，其主要作用是储存脂肪供以后使用。

    在美国，儿童肥胖率正在迅速上升。 为了对抗儿童肥胖症并确保儿童有一个健康的人生开端，第一夫人米歇尔·奥巴马于 2010 年推出了 Let's Move！ 竞选活动。 该活动的目标是教育父母和看护人如何提供健康的营养，鼓励子孙后代过上积极的生活方式。 该计划旨在让包括家长、教师和医疗保健提供者在内的整个社区参与进来，以确保儿童获得健康食品（更多的水果、蔬菜和全谷物），并减少加工食品中的卡路里消耗。 另一个目标是确保孩子进行体育锻炼。 随着电视观看和电子游戏等固定活动的增加，久坐不动的生活方式已成为常态。 访问 www.letsmove.gov 了解更多信息。

    摘要

    有许多器官共同消化食物和吸收营养。 口腔是摄取点，也是食物机械和化学分解开始的地方。 唾液含有一种叫做淀粉酶的酶，可分解碳水化合物。 食物丸通过蠕动运动穿过食道到达胃部。 胃的环境非常酸性。 胃蛋白酶消化胃中的蛋白质。 进一步的消化和吸收发生在小肠中。 大肠重新吸收未消化食物中的水分，储存废物直至消除。

    碳水化合物、蛋白质和脂肪是食物的主要成分。 一些必需的营养素是细胞功能所必需的，但不能由动物体产生。 这些包括维生素、矿物质、一些脂肪酸和一些氨基酸。 超过必要量的食物摄入量以糖原的形式储存在肝脏和肌肉细胞以及脂肪组织中。 过多的脂肪储存会导致肥胖和严重的健康问题。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{4}\)：以下关于消化系统的陈述中哪一项是错误的？

    答：Chyme 是食物和消化液的混合物，在胃中产生。
    B. 食物先进入大肠，然后进入小肠。
    C. 在小肠中，chyme 与胆汁混合，胆汁会乳化脂肪。
    D. 胃被幽门括约肌与小肠分开。

    回答

    B

    词汇表

    淀粉酶
    一种存在于唾液中并由胰腺分泌的酶，可将碳水化合物转化为麦芽糖
    肛门
    消化系统排出废物的出口
    胆汁
    肝脏产生的消化液；对消化脂质很重要
    丸
    大量食物是由咀嚼作用和唾液润湿而产生的
    结肠
    大肠的最大部分，由升结肠、横结肠和降结肠组成
    chyme
    部分消化的食物和胃液的混合物
    食管
    连接口腔和胃部的管状器官
    必需营养素
    人体无法合成的营养素；它必须从食物中获得
    胆囊
    储存和浓缩胆汁的器官
    大肠
    一种消化系统器官，它从未消化的物质中重新吸收水分并处理废物
    肝
    一种产生胆汁用于消化并处理维生素和脂质的器官
    矿物
    一种在体内发挥重要作用的无机元素分子
    口腔
    食物进入消化系统的入口
    胰腺
    分泌消化液的腺体
    胃蛋白酶
    胃中发现的一种酶，其主要作用是蛋白质消化
    蠕动
    肌肉组织的波浪状运动
    直肠
    在排出粪便之前储存粪便的身体区域
    唾液腺
    哺乳动物口腔中分泌唾液的三对外分泌腺之一，唾液是水样粘液和酶的混合物
    小肠
    完成蛋白质、脂肪和碳水化合物消化的器官
    胃
    一种含有酸性消化液的囊状器官
    维生素
    维持生命所需的少量有机物质