为什么我们需要运输系统？

生物体并不总是需要运输系统，大多数生物的运输系统比我们简单得多 - 那么哺乳动物运输系统中的复杂性从何而来呢？原因在于我们的体型。由于哺乳动物体型很大（从营养物质到需要这些营养物质的细胞之间的距离增加），新陈代谢率高，活动水平高，因此我们对氧气和营养物质的需求量很大。我们还会产生大量的废物，这些废物需要被清除 - 所有这些都是通过我们复杂的运输系统（带有泵）来实现的。

**表 1：运输系统**
生物类型	单细胞	水母和海葵	昆虫	绿色植物	鱼类	哺乳动物
体型范围	微观	高达 60 厘米	1 毫米至 13 厘米	1 毫米至 150 米	12 毫米至 10 米	35 毫米至 34 米
示例	大肠杆菌	海葵	蝗虫	橡树	鳉鱼	人类
活动水平	使用鞭毛移动以寻找食物	海葵是固着生活的，水母游动缓慢	活跃的运动，许多会飞	不运动	活跃的运动	最活跃的运动
运输系统	没有专门的运输系统	没有专门的运输系统	血液系统（有泵）	木质部/韧皮部（没有泵）	血液系统（有泵）	血液系统（有泵）

从上表可以看出，一些生物体没有运输系统，依靠单纯的扩散，因为它们是如此简单的生物体，扩散足以满足需求。相对于它们的体积，它们具有很大的表面积，适合扩散发生。水母和海葵生存的理由相同，它们没有太多运动（这需要氧气）。

心血管系统

心血管系统或简单地说是血液系统，具有一个泵和一系列管道，分别是心脏和血管。来自心脏左心室的血液经过心脏两次才能完成一个循环。从左心室开始，进入主动脉，流向全身，除了肺部，然后通过上腔静脉和下腔静脉回到心脏右侧，再被右心室泵入肺动脉，带到肺部重新充氧，然后沿着肺静脉回到心脏左侧。这种组合使它成为一个双循环系统，并且由于血液从未离开，因此被称为封闭循环系统。

查看这张图片，以更全面地了解人体血管系统：[3]

这张图片有助于描述双循环系统：[4]

动脉

动脉的功能是快速、高血压地将血液输送到组织。请看右边的图。它是一个动脉的横截面，显示了三层结构 - 内膜、中膜和外膜。内膜由内皮细胞构成，内皮细胞位于一层薄薄的弹性纤维上，因为内膜与血液接触，这一点至关重要。接下来是中膜，它包含平滑肌、胶原蛋白和弹性纤维。最后，最外层是外膜，包含弹性纤维和胶原蛋白纤维。中间的空腔是血液流过的通道，称为管腔。

动脉具有所有血管中最厚的壁，这与平滑肌和弹性纤维一起使血管壁能够随着来自心脏的高压血液脉冲的到来而扩张。它们具有弹性（即在被拉伸后回缩）这一事实至关重要，以确保它们在血液脉冲通过后“弹回”，升高血压并推动血液流动。

随着它们离心脏越来越远，离它们要输送血液的组织越来越近，它们会分支成更小的血管，称为小动脉 - 与动脉相似，但更小，并且具有更多肌肉，可以在需要时推动血液流动，也可以增强或限制血流，例如在运动期间限制血液流向肠道。

静脉

静脉具有相对较大的管腔、薄的内膜和更薄的中膜。它们的外膜主要是胶原蛋白纤维，而动脉则含有更多的弹性纤维。

血液从小动脉流入毛细血管，离开毛细血管后进入静脉，静脉的功能是将血液送回心脏。静脉必须处理非常低的压力血液，通常低于 5 毫米汞柱 - 这有助于消除对厚壁的需求，但是如何在如此低的压力下将血液送回心脏呢？

答案是半月瓣。查看这张图片：[5]。从图中可以看出，半月瓣只允许血液单向流动，试图逆向流动只会关闭瓣膜。你腿部的肌肉也有助于提高静脉内的压力。

毛细血管

小动脉继续从动脉分支，最终形成所有血管中最小的血管，即毛细血管。毛细血管的功能是尽可能地将血液送至细胞，使物质能够在细胞和血液之间快速运输 - 它们在每个组织中形成一个网络，称为毛细血管网。

毛细血管壁非常薄，仅由一层内皮细胞构成，每个毛细血管的直径与红细胞的直径相当，约为 7 微米。这种结构使血液能够靠近单个细胞，距离仅 1 微米。大多数毛细血管网在单个细胞之间会有间隙，使血液中的一些成分能够渗透到身体细胞之间的间隙中，形成组织液。毛细血管内的血压约为 10 毫米汞柱。

血液和组织液

血液只是悬浮在称为血浆的淡黄色液体中的细胞。血浆主要由水组成，其中溶解着营养物质和废物等溶质。始终留在血液中的蛋白质分子称为血浆蛋白。如前一部分所述，血浆从毛细血管中渗出，并渗透到组织细胞之间的间隙中，被称为组织液。

组织液是血浆，只是缺少一些无法通过毛细血管壁的成分 - 红细胞和蛋白质分子。它构成了每个单个身体细胞的直接环境，并在细胞之间交换物质 - 我们身体中的许多过程都是为了维持组织液的成分而设计的，以确保细胞具有最佳的环境。这被称为稳态，包括调节血糖浓度、水、pH 值、废物和温度。

淋巴系统

在上一节讨论的组织液中，大约 90% 回渗到毛细血管，剩下的 10% 变成淋巴液，存在于淋巴管（淋巴系统）中。这些管子是微小的“盲端”管子，组织液可以流入，但不能流出 - 这些瓣膜足够宽，可以允许大的蛋白质分子通过 - 这很重要，因为这些蛋白质无法进入毛细血管，也不能被血液带走，如果组织液不带走它们，会导致致命的堆积。

淋巴管连接起来形成更大的淋巴管，逐渐将淋巴液输送回锁骨下方的大静脉，称为锁骨下静脉。淋巴结位于淋巴管之间，当淋巴通过这些结点时，白细胞会从淋巴中清除细菌和其他不需要的颗粒。

血液

血液是一种特殊的体液，由悬浮在称为血浆的液体中的血细胞组成。

血细胞

血细胞（也称为血球）是任何类型的细胞，通常存在于血液中。在哺乳动物中，它们可以分为两大类

红血细胞
白血细胞

红色

红血细胞（红细胞）之所以呈红色，是因为含有血红蛋白，血红蛋白是一种球状蛋白，其主要功能是从肺部将氧气输送到呼吸组织。红血细胞的寿命相对较短，随着时间的推移，它们会变得更加脆弱，并在循环系统中破裂，但会由骨髓补充。下面列出了它们的结构和功能。

'**红血细胞**
结构	功能
体积小（7μm）	使红血细胞能够靠近细胞，与它们交换氧气 - 以适应毛细血管。
没有细胞核、线粒体或内质网。	红血细胞是高度特化的细胞，它们为血红蛋白提供了尽可能多的空间。
双凹盘形状	氧气扩散的表面积大。灵活性。

白色

白血细胞（白细胞）也是在骨髓中产生的，但与红血细胞的不同之处在于以下几个方面。

它们总是具有细胞核
比红血细胞大
不是双凹的，通常是球形的或不规则的。

白血细胞主要分为两类：吞噬细胞和淋巴细胞。

吞噬细胞

通过吞噬作用破坏入侵的细胞
可以通过其裂片状的[6]（见中性粒细胞）核和颗粒状细胞质识别。

淋巴细胞

破坏微生物，但不是通过吞噬作用
分泌抗体
比吞噬细胞小
细胞核大[7]
细胞质小

血红蛋白

运输系统的最主要作用是将氧气从肺泡输送到需要的地方 - 体内细胞，这是通过血红蛋白实现的。每个血红蛋白分子可以结合四个氧分子。

解离曲线

血红蛋白不仅需要在肺部吸收氧气（如我们之前所见），还需要在适当的组织中释放氧气。这被称为解离，可以测量血红蛋白的解离并绘制图表，称为解离曲线。

该图（见右图）表明，在氧分压较低时，血红蛋白的氧饱和度非常低。在氧分压较高时，血红蛋白的氧饱和度非常高。小型哺乳动物的血红蛋白解离曲线略微偏向左侧，因为它们有许多代谢过程。

S 形

S 形曲线可以用血红蛋白分子在失去和获得氧分子时的行为来解释。

一个血红蛋白分子有四个血红素基团，当一个氧分子与一个血红素基团结合时，血红蛋白分子会略微变形，这种变形会增加血红蛋白对氧气的亲和力，也就是说，它使第二个氧分子更容易结合。第二个氧分子结合后，反过来又使第三个氧分子更容易结合，但这个分子使第四个分子更难结合。

所有这一切解释了为什么初始上升速度缓慢（第一个很难结合，但从第 25 个百分位到第 75 个百分位（第二和第三个容易）是一个陡峭的图，最后四分之一的图又慢了（第四个很难））。

波尔效应

波尔效应是指二氧化碳对 S 形曲线的影响 - 当二氧化碳释放到红血细胞中时，它会被碳酸酐酶转化，从而产生过量的氢离子。血红蛋白很容易与这些离子结合，形成血红蛋白酸，并在此过程中释放它所携带的氧气。

这导致了两个结果 - 血红蛋白清除二氧化碳溶解和解离时形成的氢离子 - 使 pH（氢离子浓度）保持中性（充当缓冲剂）。

二氧化碳分压高会导致血红蛋白释放氧气 - 这就是波尔效应。它非常有用，因为高浓度的二氧化碳存在于积极呼吸的组织中 - 这些组织最需要氧气，并导致血红蛋白比平时更容易释放氧气。波尔效应使 S 曲线（这次是解离）稍微向右移动，简单地说，血红蛋白的饱和度比在二氧化碳分压低时要低。

CO₂ 运输

CO₂ 在血液中可以通过三种方式运输。

二氧化碳可以直接溶解在溶液中。（5%）
二氧化碳解离的产物之一是碳酸氢根离子，这些离子大部分扩散到血浆中。（85%）
二氧化碳也可以直接与血红蛋白结合形成氨基甲酰血红蛋白。（10%）

当血液到达肺部时，上述前两个反应会逆转，这使得二氧化碳从血液中扩散出去，血红蛋白可以自由地与氧气结合。

胎儿血红蛋白

发育中的胎儿通过胎盘从母体血红蛋白中获取氧气。显然，母体的血液必须供应她自己的整个身体以及胎儿的需求，因此当血液到达胎盘时，氧分压相对较低。

这要求胎儿血红蛋白对氧气的亲和力更高，并在氧分压较低时更容易结合。在 S 形曲线图上，胎儿血红蛋白的曲线略微位于成人血红蛋白曲线的左侧。

一旦胎儿出生，他/她会在 6 个月内失去胎儿血红蛋白，因此将来女性可以怀有胎儿，胎儿能够利用胎儿血红蛋白获得氧气。此外，胎儿血红蛋白必须转变为成人血红蛋白，以便氧亲和力降低到足以向细胞和组织提供适当量的氧气。这对于儿童变得更加活跃尤其重要，因为他们的组织需要更多氧气。

肌红蛋白

肌红蛋白是一种红色的色素，可以与氧气结合，就像血红蛋白一样。但是，它主要存在于肌肉组织中。它只有一个多肽链，一个血红素基团，只能结合一个氧分子。然而，肌红蛋白对氧气的亲和力非常高，只有当周围的氧分压非常低时，它才会释放氧气。

这很有用，因为在运动开始的几分钟内，心脏和肺部需要时间来赶上肌肉的需求，在此期间，肌肉的氧饱和度会随着它们迅速使用而下降，肌红蛋白会释放它的氧气。因此，肌红蛋白充当氧气储存器。

氧气运输困难

你可能已经猜到，我们体内的氧气运输非常有效，但它可能会受到一些因素的影响。

一氧化碳

血红蛋白尽管效率很高，但它有一个缺陷——它与一氧化碳不可逆地结合，亲和力是氧气的 250 倍。一氧化碳从许多来源的烟雾中吸入，并与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白。

因此，过量的一氧化碳浓度，例如来自通风不良的燃气热水器，会严重影响机体的氧气输送能力，一氧化碳中毒会导致窒息死亡。

高原反应

由于血红蛋白部分依赖于大气压力来容易地与氧气结合，因此人类有时会在海拔 6500 英尺以上遇到问题，因为气压会降低到血红蛋白最多只能达到 70% 的饱和度，而不是通常的 92-95% 的饱和度，导致机体携带的氧气量减少。

这会使人感到不适，但更糟糕的是，它会导致大脑中的小动脉扩张，并增加流入毛细血管的血液量。这会导致液体从毛细血管渗漏到脑组织中，引起迷失方向，甚至渗漏到肺部，导致呼吸困难。这种情况可能是致命的。

然而，随着时间的推移，机体可以通过增加红细胞数量来适应较低的气压，但这一过程需要在高海拔地区至少持续两到三个星期。住在高海拔地区的人还会发生其他变化，包括胸部宽阔（肺活量大）、心脏更大以及血液中血红蛋白浓度高于平常。