动物解剖学和生理学/呼吸系统
完成本节后，您应该了解
- 为什么动物需要能量以及它们如何在细胞中产生能量
- 为什么动物需要氧气并需要排出二氧化碳
- 气体交换这个术语的含义
- 肺泡的结构以及氧气和二氧化碳如何穿过其壁
- 氧气和二氧化碳如何在血液中运输
- 空气在呼吸系统中的路线（即鼻子、咽、喉、气管、支气管、
- 细支气管、肺泡）
- 肋骨和膈肌的运动以实现吸气
- 潮气量、每分钟通气量和肺活量是什么
- 呼吸频率是如何控制的，以及这如何帮助调节血液的酸碱平衡
动物需要能量供应才能生存。这种能量用于构建蛋白质和糖原等大型分子，制造细胞结构，将化学物质穿过膜和细胞周围移动，收缩肌肉，传递神经冲动，并保持体温。动物从他们作为食物食用的大型分子中获得能量。葡萄糖通常是能量来源，但也可能来自其他碳水化合物，以及脂肪和蛋白质。能量是由称为细胞呼吸的生化过程产生的，该过程发生在每个活细胞内部的线粒体中。
总反应可以用以下文字方程式概括。
碳水化合物食物（葡萄糖）+ 氧气 = 二氧化碳 + 水 + 能量
如您从该方程式中所见，细胞需要供应氧气和葡萄糖，并且需要清除对细胞有毒的废物二氧化碳。消化系统如何提供细胞呼吸所需的葡萄糖将在第 11 章（“肠道和消化”）中介绍，但这里我们只关注参与细胞呼吸的两种气体，氧气和二氧化碳。这些气体通过血液运输到需要或产生的组织。
氧气从空气（或鱼类中的水）进入体内，二氧化碳通常从身体的相同部位排出。这个过程称为气体交换。在鱼类中，气体交换发生在鳃中，在陆地脊椎动物中，肺是气体交换器官，青蛙在蝌蚪时期使用鳃，在成年时期使用肺、嘴巴和皮肤。
哺乳动物（和鸟类）活跃且体温相对较高，因此需要大量的氧气才能通过细胞呼吸提供足够的能量。为了吸入足够的氧气并释放所有产生的二氧化碳，它们需要非常大的表面积，以便气体交换能够发生。肺部的许多微小气囊或肺泡提供了这一点。当您在显微镜下观察它们时，它们看起来像是一串串葡萄，上面覆盖着密集的毛细血管网络（参见图 9.1）。一层薄薄的水覆盖在每个肺泡的内表面上。肺泡中的空气和毛细血管中的血液之间只有一层非常小的距离——仅 2 层薄细胞——气体通过扩散穿过该间隙。
肺泡中的空气富含氧气，而肺泡周围毛细血管中的血液是脱氧的。这是因为红血球中的血红蛋白已经释放了它一直输送到身体细胞的所有氧气。氧气从高浓度扩散到低浓度。因此，它穿过肺泡和毛细血管之间的狭窄屏障进入血液，并与红血球中的血红蛋白结合形成氧合血红蛋白。
肺泡周围毛细血管的狭窄直径意味着血流减慢，红细胞被挤压到毛细血管壁上。这两个因素都有助于氧气扩散到血液中（参见图 9.2）。
当血液到达组织的毛细血管时，氧气从血红蛋白分子中分离。然后它扩散到组织液中，然后进入细胞。
进入肺毛细血管的血液充满了从组织中收集的二氧化碳。大多数二氧化碳溶解在血浆中，以碳酸氢钠或碳酸的形式存在。少部分由红血球运输。当血液进入肺部时，二氧化碳气体通过毛细血管和肺泡壁扩散到水膜中，然后扩散到肺泡中。最后，它在呼气时从肺中排出（参见图 9.2）。（有关氧气和二氧化碳如何在血液中运输的更多信息，请参见第 8 章）。
当空气吸入时，它从鼻子经过一系列管子到达肺部的肺泡（参见图 9.3）。进入鼻子后，空气经过鼻腔，鼻腔衬有一层潮湿的膜，在空气通过时为其添加温暖和水分。然后空气流经咽或喉咙，这是一个既可以输送食物也可以输送空气的通道，进入喉，喉是声带所在的地方。在这里，食物和空气的通道再次分离。食物必须进入食道，而空气必须进入气管或气管。为了防止食物进入气管，在吞咽时，一块称为会厌软骨的小组织瓣膜会关闭开口（参见第 11 章）。吞咽时抑制呼吸的反射也（通常）会防止食物呛入气管。
气管是将空气向下引导到喉咙的管子。其壁上不完整的软骨环有助于保持气管畅通，即使在脖子弯曲和头部转动时也是如此。杂技演员和做瑜伽的人在最扭曲的动作中也能保持呼吸的事实表明这种排列是多么有效。气道现在分成两条支气管，将空气输送到左右肺，然后分成更小更小的细支气管，这些细支气管遍布肺部，将空气输送到肺泡。支气管和细支气管壁上的平滑肌调节气道直径。
衬在呼吸道上的组织会产生粘液，并覆盖着微小的毛发或纤毛。任何吸入呼吸系统的灰尘都会立即被粘液缠住，纤毛会将其移动到嘴巴或鼻子，在那里可以将其咳出或吹出。
肺部占据了胸腔或胸腔的大部分，胸腔被膈肌完全与腹腔隔开。肺部及其所在的间隙（称为胸膜腔）被称为胸膜的膜覆盖。两层膜之间有一层薄薄的液体。在呼吸运动中，这会润滑它们，使它们相互滑动。
胸膜腔是完全密闭的，与外界没有连接，如果它们因意外穿孔（断裂的肋骨通常会这样做），空气会涌入，肺就会塌陷。隔开两肺的是一个含有食道、气管、主动脉、腔静脉和淋巴结的组织区域。这被称为纵隔。在人类和羊中，它完全将腔室隔开，因此穿刺一个胸膜腔只会导致一个肺部塌陷。然而，在狗中，这种分离是不完全的，因此穿刺会导致两个肺部完全塌陷。
呼吸过程将空气进出肺部。这个过程有时被称为呼吸，但重要的是不要将其与发生在细胞线粒体中的化学过程细胞呼吸相混淆。呼吸是由隔膜和肋骨的运动引起的。
隔膜是一层薄薄的肌肉，完全隔开了腹腔和胸腔。当处于休息状态时，它会向上拱起进入胸腔，但在吸气或吸气时会变平。同时，胸壁上的特殊肌肉（外肋间肌）会使肋骨向前和向外移动。隔膜和肋骨的这些运动会导致胸腔容积增大。由于胸膜腔是密闭的，肺部会扩张以填补这个增大的空间，空气会被吸入气管并进入肺部（参见图 9.4a）。
呼气或呼出包括相反的运动。肋骨向下向内移动，隔膜恢复其拱形形状，因此空气被排出（参见图 9.4b）。呼气通常是无意识的，不需要能量（除非你在吹气球）。
当你坐在那里阅读本文时，只需注意你的呼吸。你会注意到你的吸气和呼气非常小而柔和（除非你刚从其他地方赶到这里！）。每次呼吸中，只有你肺部总容量的一小部分被吸入和呼出。这种温和的“休息”呼吸被称为潮气呼吸，吸入或呼出的体积（它们应该相同）是潮气量（参见图 9.5）。有时人们想测量正常呼吸一分钟内吸入或呼出的空气量。这被称为分钟通气量。可以通过测量一次潮气呼吸的体积，然后将该值乘以一分钟内的呼吸次数来估计它。当然，你可以深吸一口气，尽可能地吸气，然后尽可能地呼气。最大呼气后呼出的空气量称为肺活量（参见图 9.5）。
动物吸入的空气含有 21% 的氧气和 0.04% 的二氧化碳。呼出的空气含有 16% 的氧气和 4.4% 的二氧化碳。这意味着肺部只去除了空气中四分之一的氧气。这就是为什么可以给某人（或动物）人工呼吸，方法是将呼出的空气吹入他们的嘴中。
呼吸通常是一种无意识的活动，无论你清醒或睡觉都会发生，尽管至少人类可以有意识地控制它。位于后脑的两个区域，称为延髓和脑桥，控制着呼吸频率。这些被称为呼吸中枢。它们对血液中二氧化碳的浓度做出反应。例如，当这种浓度在活动期间升高时，神经冲动会自动发送到隔膜和肋骨肌肉，从而增加呼吸频率和深度。增加呼吸频率也会增加血液中的氧气量，以满足这种增加的活动的需要。
血液的酸度程度（酸碱平衡）对细胞和整个身体的正常功能至关重要。例如，过酸或过碱的血液会严重影响神经功能，导致昏迷、肌肉痉挛、抽搐甚至死亡。血液中携带的二氧化碳会使血液变酸，二氧化碳浓度越高，血液酸性越强。这显然很危险，因此身体中存在多种机制可以将酸碱平衡恢复到正常范围内。呼吸是这些稳态机制之一。通过增加呼吸频率，动物会增加从血液中排出的溶解二氧化碳的量。这会降低血液的酸度。
鸟类具有独特的呼吸系统，使它们能够以飞行所需的极高速度呼吸。肺部是相对坚固的结构，不会像哺乳动物的肺部那样改变形状和大小。管子穿过它们，并连接到位于胸腔和腹部体腔以及一些骨骼中的气囊。肋骨和胸骨或胸骨的运动会扩展和压缩这些气囊，因此它们的作用类似于风箱，将空气泵入肺部。这种极其有效的呼吸系统的进化使鸟类能够迁徙到遥远的距离，并在高于珠穆朗玛峰峰顶的海拔高度飞行。
- 动物需要呼吸以向细胞提供氧气并去除废物二氧化碳。
- 肺部位于胸腔的胸膜腔中。
- 气体交换发生在肺部的肺泡中，它们提供了一个巨大的表面积。在这里，氧气从肺泡扩散到包围肺泡的毛细血管中的红血球。血液中浓度高的二氧化碳会扩散到肺泡，然后被呼出。
- 吸气发生在肌肉收缩导致肋骨向上和向外移动，而隔膜变平。这些运动会增加胸膜腔的容积，并将空气吸入呼吸系统进入肺部。
- 空气进入鼻腔，然后进入咽和喉，在那里会厌会在吞咽时关闭肺部的开口。空气会向下穿过气管，气管由软骨环保持开放，进入支气管和细支气管，然后进入肺泡。
- 呼气是一个被动的过程，不需要能量，因为它依赖于肌肉的放松和肺部弹性组织的回弹。
- 呼吸频率由血液中二氧化碳的浓度决定。由于二氧化碳会使血液变酸，因此呼吸频率有助于控制血液的酸碱平衡。
- 衬里呼吸道 的细胞会产生粘液，粘液会捕获灰尘颗粒，灰尘颗粒会被纤毛送入鼻腔。
完成呼吸系统练习，以了解呼吸系统的主要结构以及它们如何促进吸气和气体交换。
然后使用下面的自我测试来查看你记住了多少内容以及理解程度如何。
1. “气体交换”这个词语指的是什么？
2. 气体交换在哪里进行？
3. 氧气从肺泡进入血液的过程是什么？
4. 为什么会发生这个过程？
5. 肺泡的结构如何使气体交换高效？
6. 氧气在血液中如何运输？
7. 列出空气从鼻子到肺泡的路径中经过的结构。
8. 呼吸道内壁的粘液和纤毛有什么功能？
9. 肋骨和横膈膜的运动如何导致吸气？请在下述语句中圈出正确的一项。
- a) 横膈膜向上隆起进入胸腔，肋骨向内向下运动。
- b) 横膈膜变平，肋骨向上向外运动。
- c) 横膈膜向上隆起进入胸腔，肋骨向上向外运动。
- d) 横膈膜变平，肋骨向内向下运动。
10. 会厌软骨的功能是什么？
11. 什么控制呼吸频率？
这是一个关于人类呼吸和气体交换的互动式解释，包含可标注的图表、动画和问题。
虽然这个是关于人类呼吸系统的，但它有一个很好的图表，当你将鼠标悬停在上面时会显示各个部位的功能。它还包含一个关于气体交换的动画和一个测试你对气体交换理解的测验。
维基百科关于肺部的条目。它包含很多关于人类呼吸系统的有用信息，还有各种链接，如果你感兴趣的话。