呼吸系統

呼吸系統指生物體內將呼吸氣吸入體內並進行氣體交換的系統。在人類和其他哺乳動物體內中，呼吸系統包括呼吸道、肺和呼吸肌。氧氣與二氧化碳在呼吸系統裡透過擴散作用在外環境與血液中進行被動交換，氣體交換過程發生在肺腔內。其他動物如昆蟲的呼吸系統功能非常簡單，對於兩棲動物而言，他們的皮膚甚至也對氣體交換非常重要。植物也有呼吸構造，植物葉片背面的氣孔結構也可使其得到氧氣進行呼吸作用。比較解剖學和生理學.馬.馬是專性鼻呼吸動物，這意味著馬和其他哺乳動物不同，他們只能透過鼻子將氧氣吸入體內，而不像其他動物可以使用嘴來進行呼吸。大象.大象是已知的唯一一種沒有胸膜腔的動物，但是他們肺部周圍的壁胸膜和髒胸膜之間存在疏鬆的結締組織。由於缺乏胸膜腔，以及異常厚的橫膈膜，使得大象透過長期的進化可以潛入水下較長時間，因為他們的鼻子可以當作水下通氣管來使用。鳥類.鳥類的呼吸系統與哺乳動物的呼吸系統存在著較大區別，他們的呼吸系統裡存在著如氣囊之類的特殊結構。由於鳥類缺乏橫膈膜和胸膜腔結構，使得他們的肺無法進行膨脹。氣體交換發生在肺毛細管與毛細血管之間，而哺乳動物的氣體交換則發生在肺泡與肺微血管之間。爬行動物.爬行動物肺部的解剖學結構要比哺乳動物的簡單，他們缺少了如哺乳動物肺部所擁有的廣泛的支氣管樹結構。雖然爬行動物的氣體交換過程一樣發生在肺泡中，但是他們沒有橫膈膜結構，因此除龜以外的爬行動物靠肋間肌的收縮來改變體腔的體積，以便吸入空氣。龜類則是透過肋間肌的收縮來控制空氣的吸入與排出。兩棲動物.兩棲動物同時使用肺與皮膚進行呼吸，他們的皮膚分佈有非常豐富的血管並且潮溼，特殊的細胞分泌出粘液來保持皮膚的溼潤。由於兩棲動物更多靠肺來進行呼吸調控，因此皮膚的主要作用已經變為輔助氣體交換，特別是當兩棲動物在富氧的水環境中，皮膚便可以輔助其進行呼吸。魚類.大多數魚類透過腮進行呼吸，但是肺魚類動物會擁有一到兩個肺，而攀鱸亞目魚類已經進化出了一個特殊器官，這個特殊器官允許他們可以利用空氣中的氧氣進行呼吸。無脊椎動物的解剖學結構.昆蟲.大部分昆蟲都透過其外骨骼上的氣門進行呼吸，吸入的空氣透過其體內許多微小的管道到達體內各處，直徑較大的管道稱為“氣管”，直徑較小的稱為“微氣管”。這種氣體擴散方式在短距離氣體運輸上比較有效，而長距離則不是十分有效，這也是為什麼昆蟲大多都很小的原因之一。例如類似昆蟲的彈尾目與有些昆蟲沒有上述的管道，他們直接透過皮膚透過氣體擴散的方式進行呼吸。不同昆蟲用於呼吸的氣孔的數量也不同，但是他們總是成對出現，並且身體的每一環節出現一組。有一些雙尾目昆蟲擁有11對氣孔，其中有4對位於胸部，但是大多數昆蟲的早期形態都是兩對胸部氣門和8對腹部氣門，但是現今存在的大多數昆蟲的氣孔數量都較少。昆蟲體內所需的氧氣主要是透過微氣管擴散進入各組織和細胞中的，由於器官周圍的組織存在滲透膜，氣管中常充滿液體。當組織活動時，肌肉細胞中增多的乳酸會使細胞中水含量降低，導致水勢的降低，外部液體就會透過滲透作用回到細胞中，同時新鮮的空氣便會更加接近肌肉細胞。此時擴散途徑會被削弱，氣體則可以更容易被運輸。人們曾經認為昆蟲與外環境透過簡單擴散方式與外界連續不斷地進行氣體交換，透過微氣管將氣體送入體內。但是最近的研究表明不同的昆蟲呼吸方式也存在著很大的不同。有一些小型昆蟲進行著連續不斷地呼吸，並且不能透過肌肉來控制氣孔，但是也有一些昆蟲擁有周期性的氣體交換模式，他們利用腹部的肌肉收縮來調節氣管的收縮與舒張來進行呼吸，同時還可以降低在空氣中水分的流失。這種呼吸方式的一個極端例子是不連續氣體交換迴圈。軟體動物.軟體動物通常都透過腮從周圍的水環境中獲得氧氣。這些生物還擁有心臟進行泵血，軟體動物的血液含有血藍蛋白並可以獲得氧分子，進而將氧氣輸送至體內各處。由此可見他們的呼吸系統與脊椎動物魚較為類似。腹足動物的呼吸系統可能是腮或者肺。哺乳動物生理學.肺通氣量.在呼吸生理學中，肺通氣量用來描述出入肺的氣體量。以下表格展示了不同的定義：控制.換氣受到自主神經系統的控制，具體是由腦幹、延髓和腦橋控制，這幾個區域形成了呼吸控制中心，低位腦幹與中位腦幹的相關細胞可以調控呼吸動作。呼吸中樞可以分為、、和。呼吸控制中心在嬰兒時期非常敏感，如果嬰兒墜地或者被暴力搖晃後可能會使這一區域受損，可能會導致搖晃嬰兒綜合症。當血液中的二氧化碳含量升高時，頸動脈和主動脈的外周化學感受器以及骨髓的中樞化學感受器會感受到升高的訊號，進而提升呼吸頻率。運動也會肌肉運動知覺的動作、體溫的升高、腎上腺素的釋放和來自大腦的運動衝動使得呼吸頻率得到提高。同時運動還能夠提高肺活量。吸入.空氣的吸入是受橫膈膜控制的，並由肋間外肌進行支撐。靜息狀態下呼吸次數一般為每分鐘10-18次，每次之間相隔2秒。在強烈呼吸時或者發生呼吸衰竭時，呼吸輔助肌也會參與協助呼吸。呼吸輔助肌包括頸部的胸鎖乳突肌、頸闊肌和斜角肌。除此之外，背闊肌和胸肌也屬於呼吸輔助肌。在正常情況下，主要是由橫膈膜驅動空氣的吸入。當橫膈膜收縮，肋骨擴張，腹部內的組織器官等便會向下移動，這會導致胸腔量變大，並且在胸部形成負壓，最終使得氣體進入體內。在氣體被吸入到進入肺部的過程中，氣體會被過濾、會被收皮，加溫並加溼。在進行深呼吸等的強制吸氣時，肋間外肌與其他呼吸輔助肌會協助擴張胸腔的容積，同時橫膈膜也會相應地收縮。撥出.氣體的撥出通常是一個被動的過程，但無論是主動還是被動的過程，氣體的撥出都是透過腹部與肋間內肌的控制完成的，在這個過程中氣體會被強制排出或者放出。肺具有天然的彈性，它可以在吸入氣體後進行收縮，肺部的氣體便會被排出，直到胸內的氣壓與大氣壓達到平衡為止。當進行吹蠟燭等需要強制排出氣體的時候，包括腹部肌肉和肋間內肌在內的呼吸肌會在腹部和胸部產生壓力，迫使氣體從肺部被排出。氣體交換.呼吸系統的主要功能是讓生物體的迴圈系統和外界進行氣體交換。對人類和其他哺乳動物而言，氣體交換包括血液中的氧合作用，以及去除迴圈系統中的二氧化碳及其他氣態的。氣體交換時，身體也會達到酸鹼的體內平衡。若無法進行氣體交換，可能會出現二種極端的情形：會威脅生命的呼吸性酸中毒，以及呼吸性鹼中毒。當吸氣後，會在肺泡進行氣體交換，肺泡是肺部的微小囊泡，是肺部的基本功能元件。肺泡壁非常的薄，約0.2μm。肺泡壁是由單層的上皮細胞組成，靠近由單層內皮組成的毛細管。二類細胞接近，因此可以讓氣體流通，也就是氣體交換。氣體交換的機制是由於壓強差而產生的簡單現象。當肺部的壓強較高時，氣體從肺部撥出體外; 當肺部的壓強較低時，氣體從體外吸進肺部。免疫機能.呼吸道的上皮細胞會分泌許多可以保護肺部的物質，包括分泌型免疫球蛋白、防禦素、肽和蛋白酶，活性氧和等都是由上皮細胞產生的。這些分泌物可以做為抗菌劑，使呼吸道不會受到感染。呼吸道的上皮細胞也會分泌趨化因子及細胞因子，使得傳統的免疫細胞可以到受感染的部位。呼吸系統中大部份都包覆了由粘膜組成的淋巴樣組織，會產生像淋巴細胞等白細胞。肺的代謝和內分泌機能.肺部除了進行氣體交換外，也有許多代謝和內分泌上的機能。肺部會產生表面活性劑，也有可以溶解肺血管血栓的纖維蛋白溶解系統。肺部會分泌許多物質，由動脈送到全身，也會從去除血管中的一些物質。在血液迴圈時，前列腺素會減少甚至消失，但當肺組織伸展時，肺部會合成前列腺素，釋放到血液中。肺部也會活化一種激素，在肺部迴圈中將無生理活性的十肽血管緊張素I轉換成可以提高血壓及刺激醛固酮的八肽血管緊張素II。其他組織也會活化此激素，但主要是由肺部活化。在肺的上皮細胞表面含有大量可以活化激素的血管緊張素Ⅰ轉化酶，這種酶也會使得緩激肽失去活性。血液經過肺部毛細管的時間少於1秒，但單次行程就可以讓70%透過毛細管的血管緊張素I轉換為血管緊張素II。在肺部內皮細胞的表面已識別到有其他的四肽成份。溫度調節.狗、貓及一些動物會用喘氣或是身體其他部位(如貓的肉墊)來調節體溫，身體的自然反應形成一種冷卻的機制。呼吸系統疾病.呼吸系統疾病可以分為以下的幾種：咳嗽是呼吸系統自我保護的重要機制之一，可以去除肺中的灰塵、粘液，口水等異物。若無法咳嗽可能會導致感染。深呼吸的練習有助於清除肺部中的異物。由於呼吸道的表面積大，暴露在微生物中，因此呼吸系統會有許多機能保護自己，也避免病原進入體內中。呼吸系統疾病一般會由內科中的胸腔醫師、呼吸治療師以及心肺物理治療師來治療。