人类与动物的呼吸系统，复习笔记

概览

动物需要持续可靠的方式摄入氧气以进行细胞呼吸作用，并排出该过程产生的二氧化碳。本章讲授人类呼吸系统，从鼻腔到肺泡、推动空气进出肺部的肌肉机制、氧气与二氧化碳在肺泡处如何交换，以及与呼吸系统关系最密切的健康问题。

本章也把鱼类与昆虫等其他动物的呼吸系统与人类系统比较，说明气体交换表面的结构如何配合该生物的栖息环境与生活方式。鱼鳃在水中运作；昆虫气管在空气中运作，但完全绕过血液系统。

呼吸的速率与深度并非固定不变。脑中一个称为延髓的控制中枢通过化学感受器监测血液中的二氧化碳浓度，并调节呼吸的速率与深度以维持该浓度稳定，这正是运动时呼吸会明显加快的原因。

由于肺泡、呼吸机制与吸烟的影响都是常见的考题来源，本章为每个概念配上标注图、一道例题以及一系列常见错误，让学生能够检验理解，而非单靠死记硬背。

不同动物的呼吸系统类型（内容标准 8.1）

内容标准 8.1 探讨不同动物如何摄入氧气并排出二氧化碳，并说明气体交换表面的结构如何配合生物体的栖息环境与体型。每一个气体交换表面都具有相同的基本特征：薄、湿润、具有大的表面积，并靠近血液等运输介质，因为这些特征都能加快扩散。

像变形虫这样的单细胞生物通过其整个细胞表面膜交换气体，这之所以可行，是因为其表面积与体积之比大、扩散距离极短。蚯蚓使用其薄而湿润的皮肤，皮下紧贴一层毛细血管网。

鱼类使用由薄鳃丝构成的鳃，水流通常与血流方向相反地流过鳃（逆流），以维持陡峭的浓度梯度。昆虫通过一套分支的气管把空气直接送到组织，气管经体表的气门与外界相通，完全绕过血液。

人类则使用肺中数以百万计的肺泡。

下表把这些表面并排列出，而关键的考试技能是把每个特征与更快的扩散速率联系起来，而不是仅仅说出结构的名称。

人类呼吸结构与空气的路径

吸入的空气经鼻腔被加温、加湿与过滤，再沿气管下行。气管由软骨环撑开，内壁排列着纤毛与产生黏液的细胞，能截留灰尘并把它向上扫出、远离肺部。

气管分为两条支气管，分别通往两侧肺。

每条支气管反复分支为更细的细支气管，最终连接成簇的数以百万计的微小气囊，肺泡。空气与血液之间的气体交换在肺泡壁处进行，因此肺泡是整条路径的功能终点。

能够按顺序说出这条路径，鼻腔 → 气管 → 支气管 → 细支气管 → 肺泡，对于标注图示和解释空气如何到达交换表面都是必需的。完整的答案还会写出每一处所做的工作，例如在鼻腔与气管处的加温与过滤。

呼吸的机制（内容标准 8.2）

呼吸通过改变胸腔的容积从而改变其压力，使空气进出肺部。吸气时，外肋间肌收缩使胸廓向上向外抬起，膈同时收缩变平。

两种动作都增大胸腔容积，使其内部气压降到大气压力以下，空气因而从压力较高的大气流入。

平静呼气时这些肌肉松弛：胸廓向下向内移动，膈向上隆起，于是胸腔容积减小、压力升到大气压力以上，把空气推出。用力呼气时内肋间肌收缩，更有力地把胸廓向下拉。

肺本身没有肌肉；它是被动的，由这些压力变化所带动。

下表概括了肌肉、容积与压力的变化，准确的答案总会给出正确的肌肉名称以及每项变化的方向。

肺泡处的气体交换（内容标准 8.3）

在肺泡处，氧气从浓度较高的肺泡内空气扩散进入周围毛细血管中浓度较低的血液；二氧化碳则朝相反方向扩散，从血液进入肺泡内的空气。两种气体都各自顺其浓度梯度移动，因此不使用能量；气体交换是扩散，而非泵送。

肺泡通过四种方式适应气体交换，这些方式全都加快扩散。它的壁仅厚一个细胞，提供短的扩散距离。

数以百万计的肺泡合起来使肺获得极大的总表面积。内衬湿润，使气体在穿过薄膜前先溶解。

密布的毛细血管网不断把气体带走并送来新鲜血液，维持陡峭的浓度梯度。

满分答案会说出每项适应并把它与扩散速率联系起来，例如「壁仅厚一个细胞，提供短的扩散距离，所以气体穿过得快」。只说出适应而不说出其效果，只能得到部分分数。

呼吸速率的控制与运动的影响

呼吸速率并非固定，它主要由血液中的二氧化碳浓度控制，而非由氧气水平控制。化学感受器侦测到二氧化碳升高，便向脑中的延髓发送信号，延髓再经神经冲动作用于肋间肌与膈，加快并加深呼吸，直到二氧化碳浓度恢复正常。

运动时肌肉的呼吸作用加快，更快产生二氧化碳，其血液浓度因而更早、更大幅度地上升。延髓通过化学感受器侦测到这一变化，加快并加深呼吸，摄入更多氧气并更快排出二氧化碳，以配合更高的能量需求。

运动停止后，随着二氧化碳浓度下降，呼吸逐渐回到静息水平。

把这理解为一个反馈环路，而非把它当作孤立的事实死记，能让学生完整地回答「解释」类题目。要点名的控制因素是二氧化碳浓度，要点名的控制中枢是延髓。

与呼吸系统有关的健康问题（内容标准 8.4）

香烟烟雾含有焦油与其他化学物质，会麻痹并最终破坏排列在气道内的纤毛。一旦纤毛不再把黏液与被截留的颗粒扫出，黏液与感染便积聚，导致慢性支气管炎。

同样的化学物质可破坏肺泡之间的壁，引致肺气肿，使小肺泡合并为更大的空腔，减少可用于气体交换的表面积，于是人会气喘。烟雾中的其他化学物质可触发细胞失控分裂，导致肺癌。

吸烟并非呼吸问题的唯一原因。哮喘因发炎与黏液过多而使气道变窄，造成呼吸困难；肺结核是损害肺组织的细菌感染；空气污染或职业性粉尘即使在从不吸烟的人身上也可能造成或加剧类似的损害。

在考试中，有力的答案会把每种疾病与受损的特定结构联系起来：支气管炎中的纤毛与气道、肺气肿中的肺泡壁、肺癌中的肺细胞。这些损害大多在多年间逐渐累积，且无法完全逆转，这正是强调清洁空气与无烟生活方式的原因。

须掌握的关键概念

• 人类呼吸结构, 吸入的空气经鼻腔被加温、加湿与过滤，再沿气管下行，气管分为两条支气管，分别通往两侧肺。每条支气管反复分支为更细的细支气管，最终连接数以百万计的微小气囊，肺泡，气体在此与血液交换。
• 呼吸的机制, 吸气时，外肋间肌收缩使胸廓上提，膈同时收缩变平，两者都使胸腔容积增大、内部气压下降，空气因而从压力较高的大气流入。呼气时肌肉动作相反，胸腔缩小并把空气推出。
• 气体交换, 在肺泡处，氧气从浓度较高的肺泡内空气扩散进入周围毛细血管中浓度较低的血液；二氧化碳则朝相反方向扩散，从血液进入肺泡内的空气，因为两种气体都各自顺其浓度梯度移动。
• 肺泡的适应, 每个肺泡壁仅厚一个细胞，缩短了扩散距离；数以百万计的肺泡使两肺获得极大的总表面积；内衬湿润，让气体在穿过薄膜前先溶解；密布的毛细血管网不断把气体带走，维持陡峭的浓度梯度。
• 动物的呼吸系统, 鱼类利用由富含血液的薄鳃丝构成的鳃从水中摄取溶解氧，水流通常与血流方向相反地流过鳃，以维持有利的浓度梯度。昆虫则通过称为气管的分支管道把空气直接送到组织，气管经体表的气门与外界相通。
• 健康问题, 香烟烟雾中的化学物质会麻痹并最终破坏排列在气道内的纤毛，使黏液与被截留的颗粒不再被扫出，导致慢性支气管炎。同样的化学物质可破坏肺泡壁引致肺气肿，减少气体交换的表面积，也可能触发细胞失控分裂而导致肺癌。
• 呼吸速率的控制, 呼吸速率并非固定；它主要由血液中的二氧化碳浓度而非氧气水平控制。化学感受器一旦侦测到二氧化碳升高，便向脑中的延髓发送信号，延髓通过神经冲动作用于肋间肌与膈，加快并加深呼吸，直到浓度恢复正常。
• 运动对呼吸的影响, 运动时肌肉的呼吸作用加快，更快产生二氧化碳，其血液浓度因而更早、更大幅度地上升。延髓侦测到这一变化后加快并加深呼吸，摄入更多氧气并更快排出二氧化碳，以配合活跃肌肉更高的能量需求。
• 常见的呼吸系统健康问题, 除了吸烟引起的支气管炎、肺气肿与肺癌外，哮喘会因发炎与黏液过多而使气道变窄，造成呼吸困难；肺结核则是损害肺组织的细菌感染。空气污染与职业性粉尘即使在非吸烟者身上也可能加剧或引发类似的损害，因此清洁的空气对肺部健康十分重要。

快速回想清单

1. 你能定义并解释人类呼吸结构吗？
2. 你能定义并解释呼吸的机制吗？
3. 你能定义并解释气体交换吗？
4. 你能定义并解释肺泡的适应吗？
5. 你能定义并解释动物的呼吸系统吗？
6. 你能定义并解释健康问题吗？
7. 你能定义并解释呼吸速率的控制吗？
8. 你能定义并解释运动对呼吸的影响吗？
9. 你能定义并解释常见的呼吸系统健康问题吗？

常见问题

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