A-level 生物学/人类健康与疾病/气体交换
气体交换系统有四个功能
- 最大化血液与大气之间氧气和二氧化碳扩散的表面积。
- 最小化这种扩散的距离，并保持足够的浓度梯度。
- 清洁和温暖呼吸过程中进入的空气。
哺乳动物吸入和呼出含有氧气的空气。血液在肺部吸收这种氧气，然后被输送到全身。
进入肺部的空气通过鼻腔进入身体，鼻腔通向气管。在气管底部，它分成两条支气管，支气管进一步分支，形成一个支气管“树”。气管和支气管中的软骨保持气道畅通，防止它们塌陷。气管具有规则排列的 C 形软骨，而支气管具有不规则的软骨块。较小的细支气管可以通过周围的平滑肌放松，这在运动时非常有用，可以使更多的空气流通。
人体内的气道有粘液衬里，有助于捕获通过气道进入身体的病原体和其他异物。在气管和支气管中，是纤毛上皮的杯状细胞产生这种粘液。粘液是一种含有糖蛋白的粘稠溶液。糖蛋白能够捕获吸入的颗粒，例如病原体和灰尘。二氧化硫等化学污染物可以溶解在粘液中形成酸性溶液，刺激呼吸道。鼻腔也有细小的毛发。
巨噬细胞，吞噬性白细胞巡逻在气道的表面，去除细菌等颗粒。
肺部为气体交换提供了巨大的表面积。肺部被胸膜包围，胸膜包含胸膜液，这使得运动没有摩擦。这确保肺部可以通过横膈膜和肋骨（呼吸动作）移动。
肺泡具有非常薄的上皮衬里，并被许多携带脱氧血液的毛细血管包围。它们提供了较短的距离和较大的表面积，氧气和二氧化碳可以在其上交换。它们还含有弹性纤维，可以膨胀以使空气进入，并回缩以帮助排出空气。肺泡必须保持湿润以使气体扩散，这是通过肺泡壁产生的液体来实现的。这种液体的表面张力必须很低，否则肺泡在吸入空气时可能不会膨胀。为了防止这种情况，该液体包含表面活性剂（一种像洗涤剂一样的物质），以降低表面张力。
改变呼吸的深度和频率使我们能够调整氧气的摄入量和二氧化碳的呼出量，以适应我们的活动水平。在休息时，我们平均每分钟需要 6.0dm3，每次呼吸大约有 0.35 dm3 进入肺泡。
肺部不能清空空气 - 至少会残留 1.0dm3 空气，称为残气量。
- 潮气量 - 单次呼吸吸入和呼出的空气量
- 呼吸频率 - 每分钟呼吸次数
- 通气量 - 潮气量 x 呼吸频率
- 肺活量 - 可以吸入然后呼出的最大空气量。
肺容量的变化可以通过肺量计测量。
在运动过程中，心率必须增加以向肌肉提供更多的氧气并更快地排出二氧化碳。
心脏的搏出量被定义为每次收缩从每个心室泵出的血液量，每分钟称为心输出量。脉搏是主动脉伸展和随后的回缩引起的波浪，沿动脉移动，与心率相同。高搏出量和低静息脉搏是有氧健身的指标，因为它只需要少量增加脉搏就可以实现剧烈运动所需的更大的血液供应。
当左心室收缩将含氧血液从心脏中排出时，此过程中的最大动脉压力称为收缩压 - 血液离开心脏时的压力。最小压力是舒张压，它反映了小动脉和毛细血管的阻力。这可能是由于动脉粥样硬化导致的动脉硬化。典型血压为 120/80 毫米汞柱。
高血压是指静息状态下收缩压和舒张压都升高的状态，心脏工作过度。短期内，高血压的发生是由于小动脉和小动脉壁平滑肌收缩，这是由于去甲肾上腺素激素引起的。这种激素刺激小动脉收缩，从而增加阻力，迫使心脏更努力地工作。
然而，长期高血压对心血管系统造成压力，并且还没有完全解释。如果不纠正，它会导致心力衰竭。它与以下因素密切相关；
- 过度饮酒
- 吸烟
- 饮食中高盐量
- 遗传易感性
- 肥胖
正如您所知，ATP 是所有细胞的能量货币 - 肌肉也需要它，但不能储存大量的 ATP，因此它在运动过程中很快就会耗尽。肌肉会释放其他分子中的化学势能来制造 ATP，用于持续时间超过此时间的运动。这些来源包括肌肉中的糖原分解成葡萄糖，肝脏中储存的糖原被转化为葡萄糖，以及血液中的脂肪酸来自体内脂肪储存。
呼吸作用是产生新的三磷酸腺苷 (ATP) 的过程，有两种形式。如果有足够的氧气，就会进行有氧呼吸，在这个过程中，葡萄糖、脂肪酸和氧气被分解成二氧化碳和水，并释放大量能量 - 一部分能量转化为 ATP，其余能量则以热量的形式损失。
这种呼吸作用通常发生在线粒体中，氧气来自两个来源：血液中的氧合血红蛋白和肌肉中储存的氧合肌红蛋白。氧合血红蛋白容易解离并释放氧气，氧气扩散到肌肉组织中，一部分被线粒体立即利用，一部分被肌红蛋白储存，肌红蛋白对氧气的亲和力更高，因此只有在肌肉细胞中的氧气含量非常低时才会释放氧气。
线粒体在无氧条件下无法有效地发挥作用，但葡萄糖仍然可以进行呼吸作用生成 ATP，在这个过程中会形成乳酸。
任何由有氧呼吸驱动的运动被称为有氧运动。通过训练，肺部和心脏在氧合血液和将其输送到全身方面变得更有效率。
以下列出的所有变化都是为了在运动过程中更有效地为身体提供最需要的氧气。
运动前
- 肾上腺素 - 导致心脏和呼吸速率增加
- 皮肤和肠道的动脉细支血管收缩，肌肉中的动脉细支血管扩张
- 葡萄糖从肝脏释放，脂肪酸从脂肪储存中释放。
运动期间
- 能量需求急剧增加，因为肌肉耗尽了 ATP 供应。
- 有限的氧气供应迫使肌肉进行无氧呼吸，产生乳酸。
- 乳酸与二氧化碳一起扩散到血液中，刺激动脉细支血管进一步扩张，增加血液流向肌肉。
- 肾上腺素刺激支气管扩张，减少气道阻力。
- 心脏的血液输出量也增加。
- 波尔效应使氧合血红蛋白的氧气更容易解离。
在有氧运动中，尤其是在快速开始运动的情况下，可能需要长达四分钟的时间才能使心脏和肺部达到肌肉对氧气的需求量 - 体能较差的人可能永远无法达到这个需求，必须停止运动。在心脏和肺部赶上需求的时间内，人体会积累氧气负债，也称为氧气债务 - 锻炼后的大口呼吸就是为了偿还这种氧气债务。这会进行以下工作：
- 呼吸作用分解产生的乳酸（在肝脏中进行）
- 血液中血红蛋白的再氧合
- 肌肉中肌红蛋白的再氧合
- 高代谢率，因为整个身体都在高于静息水平的水平上运行。
有许多因素影响有氧运动能力。
- 最初的有氧运动能力水平
- 训练强度
- 训练持续时间
- 训练频率
健康益处
- 减轻体重
- 增强抵抗感染能力
- 减缓动脉粥样硬化
- 提高平衡性和力量
- 降低患下背痛的风险
- 运动释放内啡肽，改善情绪
- 降低胆固醇浓度
- 降低患骨质疏松症、冠心病和中风的风险
- 降低高血压
肌肉
- 肌肉尺寸增加（包括肌肉纤维）
- 毛细血管增加 - 氧气向肌肉的扩散距离缩短
- 线粒体增加
- 肌红蛋白增加
- 肌肉中糖原和脂肪增加
- 呼吸酶增加
心血管健康
- 心搏输出量增加
- 心输出量增加
- 心脏搏动力量增加
- 心脏尺寸增加
- 静息血压降低
- 静息心率降低
呼吸健康
- 肺活量增加
- 潮气量增加
- 身体更快地满足肌肉的需求