GCSE 科学/呼吸与呼吸作用

呼吸

呼吸是一个物理过程，在此过程中，富含氧气的空气被吸入肺部，富含二氧化碳的空气被排出肺部。它包括两个步骤，吸气和呼气。

吸气呼气

i)肋骨向上和向外移动。 i)肋骨向下和向内移动。

ii)横膈膜被向下推并变平。 ii)横膈膜向上移动并呈圆顶状。

iii)胸腔容积增加。 iii)胸腔容积减小。

iv)肺部扩张，气压降低。 iv)肺部尺寸减小，气压升高。

v)大气压更高的空气涌入肺部。 v)空气从肺部涌出，因为大气压更低。

脖子和肋骨底部之间的身体区域被称为胸部。胸部的主要器官是心脏、肺和舌头。肺和相关的气道使我们能够呼吸。

在头部，气道包括口腔和鼻腔。空气和食物在喉咙中有共同的通道。

从脖子到肺部的呼吸道有以下分支

喉或声带。这是产生语音和声音的地方。
气管或气管。
两个管子，每个都被称为支气管，复数支气管。
细支气管，是每个支气管的细分。
肺泡，是呼吸道末端的囊，使血液能够氧合。

呼吸的关键特征是，当我们吸气时，肋骨之间的肋间肌和横膈膜都会收缩；当我们呼气时，这两块肌肉都会放松。当我们吸气时，肋间肌的收缩会将胸骨拉起来并远离身体，横膈膜的下降会增加胸腔的容积。请注意，在休息状态（呼气）下，横膈膜会向上隆起在肺部下方，肺部本身具有弹性，会将横膈膜拉回到这个位置。

以下插图是对人体肺部外观的解剖学正确描述。肺组织本身在非吸烟的农村人身上呈现粉红色，在生活在城市的吸烟者身上几乎呈黑色。

肺位于胸腔内，与心脏和主要血管并列。 (来源：*人体解剖学*，第 20 版。1918 年。)

在这幅图中，肺组织已经被解剖去除，以露出细支气管。 (来源：*人体解剖学*，第 20 版。1918 年。)

血液的氧合

肺部的两个主要功能是为血液提供氧气和去除废二氧化碳。

血液在肺泡中被氧合。肺泡壁薄，周围有毛细血管。血液从肺动脉进入肺泡周围的毛细血管网，并通过肺静脉离开毛细血管网。

更多解剖学图示；r. b 呼吸性细支气管；al. d 肺泡导管；at 肺泡；a. s 肺泡囊；'a' 肺泡或气室；p. a.: 肺动脉: p. v 肺静脉; l 淋巴管; l. n 淋巴结。**格氏解剖学**，1918 年

氧气通过肺泡和毛细血管壁扩散到血液中，二氧化碳从血液中扩散出来。肺泡的表面积约为 70 平方米，使这种气体交换尽可能快。

二氧化碳溶解在水中，可以容易地可逆地形成碳酸和碳酸氢盐等化合物。

氧气在水中的溶解度很低，为了克服这个问题，血液中的氧气储存在红细胞中。它们包含血红蛋白，血红蛋白可以与氧气结合形成氧合血红蛋白。红细胞包含血液中的氧气。血液将氧气从肺部输送到身体的其他部位。

氧合血红蛋白呈鲜红色，血红蛋白呈暗红色，这就是为什么静脉看起来很暗，为什么所有图表都将静脉显示为蓝色，动脉显示为红色的原因。唯一的例外是肺动脉，它将暗红色的脱氧血输送到肺部，而肺静脉则将鲜红色的氧合血从肺部带走。

呼出空气（呼出的空气）的成分与吸入空气（吸入的空气）的成分有很大不同。吸入的空气与正常空气的成分相同，它包含

78% 氮气
21% 氧气
1% 惰性气体，如氩气
0.04% 二氧化碳
少量水蒸气

呼出的空气中氧气含量较低，二氧化碳含量较高，而且还饱和了水蒸气。呼出的空气中包含

78% 氮气
16% 氧气
1% 惰性气体，如氩气
4% 二氧化碳
饱和水蒸气

吸入空气和呼出空气中氧气量的差异等于呼出空气和吸入空气中二氧化碳量的差异。

肺泡为气体交换进行的特殊适应包括

薄壁
巨大的表面积
被毛细血管覆盖，以提供血液
潮湿的衬里，以溶解气体

呼吸作用

有氧呼吸

呼吸作用是将葡萄糖等富含能量的分子中的化学键转化为生命过程可用能量的过程。有氧呼吸利用氧气氧化葡萄糖并产生能量。葡萄糖氧化的方程式为

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 释放的能量

葡萄糖 + 氧气 -> 二氧化碳 + 水 + 释放的能量

在火灾中，能量会以光和热的形式大量不受控制地释放出来。呼吸作用是一个类似的过程，但它以渐进的步骤发生。

大多数动物和植物使用有氧呼吸作为主要能量来源。

葡萄糖 + 氧气 -> 二氧化碳 + 水 + 能量

线粒体

线粒体是细胞器，在细胞质中漂浮，存在于植物细胞和动物细胞中。在细胞中，有氧呼吸发生在线粒体中。在这里，能量以一种称为 ATP 的化合物的形式产生。然而，一部分产生的能量会以热能的形式损失。ATP 驱动化学反应，并被细胞用作进行这些反应的能量来源。

无氧呼吸

当一个人进行非常剧烈的运动，血液无法提供足够的氧气时，就会发生另一种类型的呼吸作用。这种呼吸作用将葡萄糖转化为能量，而不需要氧气，被称为无氧呼吸。反应是

葡萄糖 → 释放的能量 + 乳酸

无氧呼吸释放的能量少于有氧呼吸。不幸的是，导致无氧呼吸的血液供应不足也意味着乳酸会在肌肉中积累。高浓度的乳酸会引起疼痛，并表现为抽筋。运动停止后，血液供应能够提供足够的氧气，将乳酸转化为二氧化碳和水，但这需要时间，在乳酸转化完毕之前，肌肉疼痛可能会持续存在。

由于有氧呼吸，肌肉中积累的乳酸需要氧气来氧化，所需的氧气量被称为 **氧债**。二氧化碳和乳酸都会导致呼吸频率和心率增加，从而帮助身体偿还氧债。这就是为什么运动后我们仍然会喘不过气的原因。如果运动员的体能很好，他们的循环系统可以更快地提供额外的氧气，他们的 **恢复时间**（恢复正常呼吸和脉搏所需的时间）将比不健康的人短。

酵母菌和无氧呼吸

许多酵母菌和真菌能够直接将葡萄糖转化为能量，而无需氧气。酒精饮料中使用的乙醇就是酵母菌无氧呼吸的结果，反应方程式如下：

葡萄糖 → 释放的能量 + 乙醇 + 二氧化碳

酿酒师使用各种酿酒酵母来生产酒精。在香槟等含气酒精饮料中，瓶子会被紧紧地封住以防止二氧化碳逸出。