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16.3: 循环和呼吸系统

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    动物是复杂的多细胞生物，需要一种在全身输送营养物质和清除废物的机制。 人体循环系统具有复杂的血管网络，可以到达身体的所有部位。 这个广泛的网络为细胞、组织和器官提供氧气和营养，并去除二氧化碳和废物。

    输送气体和其他分子的介质是血液，血液在系统中持续循环。 系统内的压力差会导致血液的移动，是由心脏的泵送产生的。

    组织和血液之间的气体交换是循环系统的基本功能。 在人类、其他哺乳动物和鸟类中，血液吸收氧气并在肺部释放二氧化碳。 因此，循环系统和呼吸系统协同工作，其功能是获取氧气和排放二氧化碳。

    呼吸系统

    深吸一口气然后屏住它。 等待几秒钟，然后放出来。 当人类不锻炼自己时，平均每分钟呼吸大约15次。 这相当于每小时大约 900 次呼吸或每天 21,600 次呼吸。 每次吸入，空气都会充满肺部，每次呼气都会冲回肺部。 这种空气的作用不仅仅是使胸腔中的肺部充气和放气。 空气中含有氧气，氧气会穿过肺组织，进入血液，然后传播到器官和组织。 在那里，氧气被交换成二氧化碳，二氧化碳是一种细胞废物。 二氧化碳排出细胞，进入血液，返回肺部，并在呼气过程中从体外过期。

    呼吸既是自愿的，也是非自愿的。 呼吸的频率以及吸入或呼出的空气量由大脑中的呼吸中枢根据收到的有关血液中二氧化碳含量的信号进行调节。 但是，对于说话、唱歌和在水下游泳等活动，可以忽略这种自动规定。

    在吸入过程中，隔膜下降，在肺部周围产生负压，然后它们开始膨胀，从体外吸入空气。 空气通过位于鼻子内部的鼻腔进入人体（图\(\PageIndex{1}\)）。 当空气通过鼻腔时，空气被加热到体温，并被粘膜中的水分加湿。 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会被头发、粘液和纤毛从鼻道中去除。 空气还通过嗅觉进行化学采样。

    空气从鼻腔穿过咽部（喉咙）和喉部（语音箱），进入气管（图\(\PageIndex{1}\)）。 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。 人体气管是一个圆柱体，长约 25 到 30 厘米（9.8—11.8 英寸），位于食道前，从咽部延伸到胸腔再到肺部。 它由不完整的软骨环和平滑肌组成。 软骨为气管提供力量和支撑，以保持通道畅通。 气管内衬有纤毛和分泌粘液的细胞。 粘液捕获已吸入的颗粒，纤毛将颗粒移向咽部。

    气管末端分为两个支气管，分别进入右肺和左肺。 空气通过主支气管进入肺部。 初级支气管分裂，形成越来越小的直径的支气管，直到通道的直径小于 1 mm（.03 英寸），当它们在肺部分裂并扩散时，它们被称为细支气管。 像气管一样，支气管和细支气管由软骨和平滑肌组成。 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。 最后的细支气管是呼吸细支气管。 肺泡导管附着在每个呼吸细支气管的末端。 每个导管的末端是肺泡囊，每个囊含有 20 到 30 个肺泡。 气体交换仅发生在肺泡中。 肺泡很薄，看起来像囊内的小气泡。 肺泡与循环系统的毛细血管直接接触。 这种亲密接触可确保氧气从肺泡扩散到血液中。 此外，二氧化碳会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。 肺泡表面积的估计值在 100 m 2 左右变化。 这个大面积大约相当于半个网球场的面积。 如此大的表面积，再加上肺泡细胞的薄壁特性，使气体很容易在细胞中扩散。

    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，咽部是口后的通道。 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\(\PageIndex{1}\)：空气通过鼻腔进入呼吸系统，然后通过咽部和气管进入肺部。 （来源：NCI 对作品的修改）

    以下关于人体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。

    概念在行动

    观看此视频，了解呼吸系统。

    循环系统

    循环系统是由血管（动脉、静脉和毛细血管）和泵（心脏）组成的网络。 在所有脊椎动物生物中，这是一个闭环系统，其中血液在很大程度上与人体的另一个细胞外液体隔室（间质液）分离，间质液是沐浴细胞的液体。 血液在血管内循环，沿着两条循环路径之一从心脏单向循环，然后再次返回心脏；这是一个封闭的循环系统。 开放性循环系统存在于无脊椎动物中，循环液直接沐浴内脏器官，尽管它可能会随着心脏的泵送而移动。

    心脏

    心脏是一种复杂的肌肉，由两个泵组成：一个通过肺循环将血液泵送到肺部，另一个通过全身循环将血液泵送到人体其他组织（以及心脏本身）。

    心脏是不对称的，左侧比右侧大，这与肺回路和全身回路的不同大小相关（图\(\PageIndex{2}\)）。 在人类中，心脏大约相当于握紧拳头的大小；它分为四个腔室：两个心房和两个心室。 右侧有一个心房和一个心室，左侧有一个心房和一个心室。 右心房通过主要静脉从全身循环中吸收脱氧血液：上腔静脉，它从头部和来自手臂的静脉中排出血液，以及下腔静脉，它排出来自下部器官和腿部的静脉的血液。 然后，这种脱氧血液通过三尖瓣进入右心室，从而防止血液回流。 填充后，右心室收缩，将血液泵送到肺部进行复氧。 左心房从肺部接收富含氧气的血液。 这些血液通过二尖瓣进入左心室，然后血液被泵入主动脉。 主动脉是人体的主要动脉，将含氧血液输送到人体的器官和肌肉。 这种抽水模式被称为双循环，存在于所有哺乳动物中。 （图\(\PageIndex{2}\)）。

    艺术连接

    插图显示了哺乳动物全身和肺部回路的血液循环。 血液通过全身回路的静脉进入左心房，即心脏的左上室。 从上半身喂养心脏的主要静脉是上腔静脉，而从下半身供给心脏的主要静脉是下腔静脉。 血液从左心房向下流向左心室，然后流向肺动脉。 血液从肺动脉进入肺部毛细血管。 然后通过肺静脉收集血液，然后通过心脏的左上腔即左心房重新进入心脏。 血液向下流向左心室，然后通过主动脉重新进入全身回路，主动脉从心脏顶部流出。 血液通过全身回路的毛细血管进入人体组织。
    图\(\PageIndex{2}\)：心脏分为四个心室、两个心房和两个心室。 每个腔室由单向阀隔开。 心脏的右侧从体内接收脱氧血液并将其泵送到肺部。 心脏的左侧将血液泵送到身体的其他部位。

    以下关于循环系统的陈述中哪一项是错误的？

    1. 肺静脉中的血液脱氧。
    2. 下腔静脉中的血液脱氧。
    3. 肺动脉中的血液脱氧。
    4. 主动脉中的血液被氧化。

    心脏周期

    心脏的主要目的是通过人体泵送血液；它以称为心脏周期的重复顺序泵送血液。 心脏周期是通过心脏的血液流动，由电化学信号协调，导致心肌收缩和放松。 在每个心脏周期中，一系列的收缩会将血液排出，将其泵送到人体中；然后是放松阶段，心脏充满血液。 这两个阶段分别称为收缩（收缩）和舒张（松弛）（图\(\PageIndex{3}\)）。 收缩信号从右心房外侧的某个位置开始。 电化学信号从那里穿过心房移动，导致它们收缩。 心房的收缩迫使血液通过瓣膜进入心室。 由于心室收缩而关闭这些瓣膜会产生 “润滑” 的声音。 此时，信号已经通过心脏壁传递，穿过右心房和右心室之间的某个点。 然后，信号会导致心室收缩。 心室一起收缩，迫使血液进入主动脉和肺动脉。 在心室松弛期间，由于血液被吸回心脏而导致这些动脉瓣膜的闭合会产生单音节的 “配音” 声。

    图 A 显示心肌舒张。 心肌放松，血液流入心房和心室。 图 B 显示心房收缩；心房收缩，将血液推入心室，心室放松。 图 C 显示心房舒张；心房松弛后，心室收缩，将血液排出心脏。 窦房结位于右心房的顶部，房室结位于右心房和右心室之间。 心跳始于窦房结处的电脉冲，电脉冲遍心房壁，导致心电图读数上升。 然后，信号在房室结处聚合，导致心电图读数短暂持平。 接下来，信号从房室结传递到浦肯野纤维，浦肯野纤维从房室结向心脏中部向下传播，在两个心室之间，然后向心室两侧向上传播。 当信号从浦肯野纤维向下传递时，心电图读数下降。 然后，信号传播到整个心室壁，心室收缩，导致心电图急剧上升。 尖峰之后是一条比第一个更长的平线，然后是颠簸。
    图\(\PageIndex{3}\)：在每个心脏周期中，一系列的收缩（收缩）和松弛（舒张）将血液泵送到心脏和身体中。 (a) 在心脏舒张期间，血液流入心脏，同时所有腔室都放松。 (b) 然后心室保持放松，而心房收缩将血液推入心室。 (c) 心房再次放松后，心室收缩会将血液排出心脏。

    心脏的泵送是构成心肌的心肌细胞或心肌细胞的功能。 心肌细胞是独特的肌肉细胞，它们像骨骼肌一样有条纹，但像平滑肌一样有节奏和不由自主地抽水；相邻细胞通过仅存在于心肌中的插层椎间盘相连。 这些连接允许电信号直接传播到邻近的肌肉细胞。

    心脏中的电脉冲产生流过人体的电流，可以使用电极在皮肤上测量。 这些信息可以作为心电图（ECG）来观察，这是心肌电脉冲的记录。

    概念在行动

    代表网址的二维码

    访问以下网站，查看心脏起搏器或心电图系统的运行情况。

    血管

    来自心脏的血液通过复杂的血管网络通过人体传输（图\(\PageIndex{4}\)）。 动脉将血液从心脏带走。 全身循环的主动脉是主动脉；它分支成主要动脉，将血液输送到不同的四肢和器官。 心脏附近的主动脉和动脉有沉重但有弹性的壁，可以对跳动的心脏引起的压力差做出反应并消除这些差异。 距离心脏较远的动脉壁中有更多的肌肉组织，这些肌肉组织会收缩以影响血液的流速。 主要动脉分裂成小动脉，然后分裂成称为小动脉的较小血管，以便更深入地进入人体的肌肉和器官。

    小动脉分散成毛细血管床。 毛细血管床含有大量在人体细胞中分支的10到100个毛细血管。 毛细血管是直径较窄的管道，可以容纳单个红细胞，是细胞层面上与组织交换营养、废物和氧气的场所。 液体还会从血液中从毛细血管泄漏到间质空间。 毛细血管再次汇聚成静脉，这些静脉与小静脉相连，最终与主要静脉相连。 静脉是将二氧化碳含量高的血液带回心脏的血管。 静脉壁不像动脉那么厚，因为压力较低，而且它们的长度上有瓣膜，可以防止血液从心脏回流。 主要静脉从主要动脉供应的相同器官和四肢排出血液。

    插图显示了人类的主要血管。 血液从心脏被泵入主动脉并分布到全身动脉。 颈动脉将血液带到头部。 臂动脉将血液输送到手臂。 胸主动脉将血液沿着脊柱从身体躯干流下来。 从胸主动脉分支的肝、胃和肾动脉分别向肝脏、胃和肾脏输送血液。 胫动脉将血液输送到腿部。 血液通过两条主要静脉返回心脏，上腔静脉位于顶部，下腔静脉位于底部。 颈静脉从头部返回血液。 基底静脉从手臂返回血液。 肝、胃和肾静脉分别从肝脏、胃和肾脏返回血液。 胫静脉从腿部返回血液。
    图\(\PageIndex{4}\)：以红色表示的人体动脉从主动脉弓和分支开始，为人体的器官和肌肉提供含氧血液。 以蓝色表示的身体静脉将血液返回心脏。 肺动脉是蓝色的，反映了它们已经脱氧的事实，而肺静脉是红色的，表示它们已充氧。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    章节摘要

    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，空气沿着咽部和喉部流动，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。

    哺乳动物循环系统是一个封闭的系统，双循环穿过肺部和身体。 它由含有血液的血管网络组成，这些血管由于心脏产生的压力差而循环。

    心脏含有两个泵，它们使血液通过肺循环和全身循环。 右侧有一个心房和一个心室，左侧有一个心房和一个心室。 心肌细胞是心肌细胞的功能，心肌细胞是独特的肌肉细胞，像骨骼肌一样有条纹，但像平滑肌一样有节奏和不由自主地抽水。 收缩信号从右心房的墙壁开始。 电化学信号使两个心房一致收缩；然后信号导致心室收缩。 来自心脏的血液通过复杂的血管网络通过人体传输；动脉将血液从心脏带走，静脉将血液带回心脏。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{1}\)：以下关于人体呼吸系统的陈述中哪一项是错误的？

    答：当我们呼吸时，空气从咽部流向气管。
    B. 细支气管分支成支气管。
    C. 肺泡导管连接到肺泡囊。
    D. 肺部和血液之间的气体交换发生在肺泡中。

    回答

    B

    图\(\PageIndex{2}\)：以下关于循环系统的陈述中哪一项是错误的？

    答：肺静脉中的血液脱氧。
    B. 下腔静脉中的血液脱氧。
    C. 肺动脉中的血液脱氧。
    D. 主动脉中的血液被氧化。

    回答

    一个

    词汇表

    肺泡
    （复数：肺泡）（也称为气囊）进行气体交换的肺通道的末端结构
    主动脉
    将血液从心脏输送到全身循环系统的主要动脉
    动脉
    将血液从心脏带走的血管
    中庭
    （复数：心房）从静脉接收血液的心室
    二尖瓣膜
    心房和心脏左侧心室之间的单向开口
    支气管
    （单数：支气管）来自气管的软骨组织的较小分支；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
    从主支气管延伸到肺泡囊的气道
    毛细管
    允许单个血细胞通过的最小血管，也是氧气和营养交换的扩散部位
    心脏周期
    由导致心肌收缩和放松的电信号引起的心脏血液填充和排空
    封闭的循环系统
    一种将血液从人体间质液中分离出来并包含在血管中的系统
    隔膜
    一种位于肺部下方的骨骼肌，将肺部封闭在胸部
    diastole
    心脏周期的松弛阶段，即心脏放松且心室充满血液
    心电图 (ECG)
    记录心肌的电脉冲
    下腔静脉
    身体的主要静脉，将血液从身体下部返回到右心房
    喉
    语音箱，位于喉咙里
    鼻腔
    呼吸系统通向外部环境的通道
    开放循环系统
    一种循环系统，将血液与体腔中的间质液混合在一起，直接给器官洗澡
    咽
    喉咙
    原发性支气管
    （也是主支气管）肺内气道的一个区域，它附着在气管上并分叉形成细支气管
    肺循环
    血液从心脏流过发生氧合的肺部，然后流回心脏
    上腔静脉
    人体的主要静脉，将血液从身体上半部分返回到右心房
    全身循环
    血液从心脏流向大脑、肝脏、肾脏、胃和其他器官、四肢和人体肌肉，然后流回心脏
    收缩
    心室将血液泵入动脉时的心脏周期的收缩阶段
    气管
    将空气从喉咙输送到肺部的软骨管
    三尖瓣
    心房和心脏右侧心室之间的单向开口
    静脉
    将血液带回心脏的血管
    心室
    （心脏）心脏的一个很大的腔室，它将血液泵入动脉