2019-2020年高中生物《呼吸作用》相關知識 蘇教版必修1.doc

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2019-2020年高中生物《呼吸作用》相關知識 蘇教版必修1 在動物界，無論是簡單的低等動物還是結構復雜的高等動物和人類，為維持生命活動，都要靠營養(yǎng)物質在體內進行氧化代謝而取得機體生存和活動所必需的能量。機體細胞在進行氧化代謝時，要不斷地攝取需要的02，同時排出所產(chǎn)生的C02。這一過程稱為呼吸。 呼吸過程包括三個互相聯(lián)系的環(huán)節(jié)(圖1-3-8)：①外呼吸：又稱肺呼吸，指外界環(huán)境中的氣體通過呼吸道與在肺部的血液進行氣體交換；②氣體在血液中的運輸：02從肺經(jīng)過血液循環(huán)運送到組織，同時C02由組織運輸?shù)椒危虎蹆群粑河址Q組織呼吸，指血液與組織細胞之間的氣體交換。通過這三個環(huán)節(jié)，02被運輸?shù)郊毎麅?，細胞在代謝過程中產(chǎn)生的C02則被捧出體外。 一、呼吸的機制(呼吸運動與肺通氣) 1．呼吸運動 胸腔的節(jié)律性擴大與縮小稱為呼吸運動。呼吸運動是呼吸肌(主要是胸壁的肋間肌和膈肌)在神經(jīng)系統(tǒng)控制下，進行有節(jié)律地收縮和舒張所造成的。吸氣時，吸氣肌收縮，胸廓的前后、左右和上下徑均增大，肺容積隨之擴大，空氣被吸人肺內。呼氣肘，胸廓各徑皆縮小，肺容積隨之縮小，肺內部分氣體被驅出。由此可知，肺通氣是胸廓運動的結果。肺通氣過程中，肺內容積的變化與壓力的變化密切相關。 (1)肋間肌與膈肌運動 肋間肌位于肋骨之間，分為內外兩層，肋間外肌肌纖維走向是由上一肋骨的下緣，斜向下一肋骨的上緣。當肋間外肌收縮時，肋骨和胸骨都向上提升，從而使胸廓的前后徑和左右徑都延長，產(chǎn)生吸氣效應。肋間內肌的肌纖維斜行方向與肋間外肌相反，當其收縮時，使肋骨更向下斜，使胸廓前后、左右徑均縮小(圖1-3-9)。 橫膈介于胸、腹腔之間，是最重要的呼吸肌，呈穹窿狀，兩側凸面向上，周圍部為肌質，中央為腱膜(中心腱)。當膈肌收縮時，中心腱移動不大，而兩側穹窿突起則向周圍降落。膈肌收縮越強，橫膈的位置越低，中心腱也明顯下降。這樣，則使胸腔上下徑增大，肺容積隨之擴大，產(chǎn)生吸氣動作。膈肌舒張時，腹壁收斂迫使腹腔內臟回復原狀，膈肌穹窿頂重新向上，使胸腔上下徑縮小，造成呼氣(圖1-3-10)。 (2)吸氣與呼氣動作的比較 平和呼吸時，吸氣是主動的運動，是由膈肌和肋間外肌的收縮引起的，呼氣則是被動的運動，此時呼氣肌并不收縮，只是吸氣肌舒張，肋骨由于重力作用而下降，膈肌由于腹內壓的作用而回位，使胸腔縮小，肺容積隨之縮小。 用力吸氣時，其他輔助吸氣肌，如胸鎖乳突肌、胸大肌等也參加收縮，以加強吸氣動作；用力呼氣時，除呼氣肌收縮外，腹壁肌也參加收縮，以加強呼氣動作。 人體安靜時．以肋間肌收縮為主所引起的呼吸運動．常稱為胸式呼吸；由膈肌收縮而引 起的呼吸，因表現(xiàn)為腹壁的起伏，則稱為腹式呼吸。一般成年女子多以胸式呼吸為主，嬰兒 及成年男子則多以腹式呼吸為主。 2．肺內壓與胸膜內壓的變化 (1)肺內壓的變化 在肺通氣過程中，由于肺內氣體與大氣之間存有壓力差，氣體才能克服呼吸道的阻力而進出肺。平和吸氣時，在吸氣之初，肺的容積隨著胸腔和肺的擴張而加大，肺內壓暫時下降，低于外界大氣壓。到吸氣末，肺內壓又提高到與大氣壓相等的水平，達到暫時平衡，氣體在短時間內停止流動。反之，在呼氣之初，肺的容積隨著胸腔和肺的縮小而縮小，肺內壓升高并超過大氣壓，從而使肺內氣體得以排出體外。到呼氣末，肺內壓又與大氣壓達到平衡。 (2)胸膜內壓 胸膜腔內的壓力，稱為胸膜內壓，簡稱胸內壓。胸內壓比大氣壓低，所以又稱為胸內負壓。胸內負壓是出生以后發(fā)展起來的。嬰兒出生后，由于胸廓發(fā)育的速度大于肺的發(fā)育速度，所以胸廓的自然容積顯著大于肺容積。胸廓的內面被覆著胸膜壁層，它受到胸廓上的骨骼和肌肉的支持，從體外作用于胸壁上的大氣壓影響不到胸膜的壁層，也就影響不到胸膜腔。胸膜臟層覆蓋在肺的表面，卻受到兩種相反力量的影響。大氣壓通過肺泡壓向胸膜臟層，使胸膜腔承受一個大氣壓。如果肺組織不具回縮力，胸內壓就等于肺內壓，即等于大氣壓。但是，不論是在吸氣還是呼氣時肺都處于擴張狀態(tài)，也就總是具有一定的回縮力。這種回縮力的作用方向與肺內壓(大氣壓)作用方向相反，因而抵消了一部分大氣壓，使胸膜腔承受的壓力小于大氣壓。肺的回縮力產(chǎn)生的另一因素是肺泡表面的薄層液體具有很大的表面張力，這也是肺泡回縮的重要因素。 肺的回縮力越大，胸膜腔負壓越大；肺的回縮力越小，胸膜腔負壓越小。因此，隨著每次呼吸運動，胸內壓也發(fā)生波動。胸膜腔內負壓的存在，使肺經(jīng)常保持一定的擴張狀態(tài)，使肺泡不論在吸氣還是呼氣時都不塌陷，對肺的通氣和氣體交換具有重要生理意義。 3．肺容量和肺通氣量 肺容量和肺通氣量是衡量肺通氣功能的指標，在不同狀態(tài)下氣量有所不同。 (1)肺容量 肺容量指肺容納的氣體量。在呼吸周期中，肺容量隨著進出肺的氣體量的變化而變化。其變化幅度主要與呼吸深度有關，可用肺量計測定和描記(圖1-3-11)。 ①潮氣量：每次呼吸時吸人或呼出的氣量，稱為潮氣量。正常成人平靜呼吸時，潮氣量為400-600mL。深呼吸時，潮氣量增加。每次平靜呼氣終點都穩(wěn)定在同一個水平上，這一水平的連線稱為平靜呼氣基線。 ②補吸氣量和深吸氣量：平靜吸氣末再盡力吸氣所能增加的吸人氣量，稱為補吸氣量，正常成人為1500mL-2000mL。補吸氣量與潮氣量之和，稱為深吸氣量。深吸氣量是衡量肺通氣潛力的一個重要指標。 ③補呼氣量：平靜呼氣末再盡力呼氣所能增加的呼出氣量，稱為補呼氣量。正常成人為900mL-1200mL。最大呼氣終點構成了最大呼氣水平。 ④余氣量和功能余氣量：最大呼氣末肺內殘余的氣量，稱為余氣量，正常成人為1000mL—1500mL。平靜呼氣末肺內存留的氣量，稱為功能余氣量，它是補呼氣量和余氣量之和，正常時很穩(wěn)定。肺氣腫患者的功能余氣量增加，呼氣基線上移；肺實質性病變時則減少，呼氣基線下移。 ⑤肺活量和用力呼氣量：最大吸氣后做全力呼氣，所能呼出的氣量，稱為肺活量，它等于深吸氣量和補呼氣量之和，正常成年男性約為3500mL．女性約為2500mL。 ⑥肺總量：肺所能容納的最大氣量，稱為肺總量，它等于肺活量與余氣量之和，正常成年男性為5000mL—6000mL，女性為3500mL—4500ml。 (2)肺通氣量 肺通氣量有兩個衡量指標。 ①每分肺通氣量：指每分鐘進肺或出肺的氣體總量，簡稱為每分通氣量、其值等于潮氣量與呼吸頻率的乘積。正常成人安靜時呼吸頻率為12—18次／分，故每分通氣量為6-8L。 ②每分肺泡通氣量：指每分鐘進肺泡或出肺泡的有效通氣量，簡稱為肺泡通氣量。氣體進出肺泡必經(jīng)呼吸道，呼吸道內氣體不能與血液進行氣體交換，故將呼吸道稱為無效腔，正常成人其容積約為150mL。每次進或出肺泡的有效通氣量等于潮氣量減去無效腔氣量，故每分肺泡通氣量的汁算公式如下： 每分肺泡通氣量(L／min)=(潮氣量—無效腔氣量)X呼吸頻率(次／min) 正常成人安靜時每分肺泡通氣量約為4．2L，相當于每分通氣量的70％左右。潮氣量和呼吸頻率的變化，對每分通氣量和肺泡通氣量的影響是不同的。 二、氣體交換 氣體的交換包括氣體在肺泡的交換和在組織的交換，即肺泡和血液之間，血液和組織之間的02和C02的交換。在這兩個過程中，血液則擔負02和C02的運輸任務。如圖1-3-12 所示。 呼吸氣體透過肺泡壁和肺毛細血管壁與血液中的氣體進行交換，由血液運送至全身，再透過毛細血管壁和組織細胞膜與細胞進行氣體交換，這些交換都是通過物理擴散(也稱彌散)方式實現(xiàn)的。這種方式應首先考慮呼吸氣中02和C02所占的容積百分比及其分壓差。 現(xiàn)將肺泡氣和動脈血、靜脈血、組織中02分壓(Po2)和C02分壓(Pco2)列表。從表1—3—1可看出，肺泡氣、血液、組織液之間存在著02的下坡分壓梯度，而C02分壓梯度剛相反。 由表可見，肺泡氣、血液、組織內02分壓和C02分壓各不相同，靜脈血中02分壓比肺泡氣的約低102—40=62mmHg，而C02分壓則高于肺泡氣46—40=6mmHg.組織中的02分壓最低，C02分壓最高。由于每種氣體存在著分壓差，就引起各種氣體順著各自的分壓差從分壓高處向分壓低處擴散，如肺內02從肺泡擴散人靜脈血，靜脈血中的C02擴散至肺泡。在組織內，02由血液擴散人組織液，組織液中的C02擴散人血。 影響氣體擴散的因素除分壓差外，還有呼吸膜厚度和擴散面積，氣體的溶解度和相對分子質量。 肺泡氣中的02向毛細血管血液中擴散時，或C02由毛細血管向肺泡擴散時，都至少要通過四層膜：一是肺泡內表面很薄的液膜層，其中含有表面活性物質；二是肺泡上皮細胞膜層；三是與肺毛細血管內皮之間的間質層；四是毛細血管的內皮層。四層合稱肺泡—毛細血管膜，即呼吸膜(圖1—3—13)。呼吸膜的厚度不一，平均約0．5～1／um，有很大的通透性，氣體擴散通過此膜的速度與通過同樣厚度的水層相似。 三、呼吸器官 1．呼吸系統(tǒng)的進化 絕大多數(shù)動物都生活在有氧氣的環(huán)境中，進行有氧呼吸，少數(shù)營體內寄生的種類，如蛔蟲等，生活于缺氧環(huán)境中，只能進行無氧呼吸。 單細胞原生動物生活在水中，它們可以通過體表直接與外界進行氣體交換。 從原生動物到線形動物，身體結構簡單，可以直接通過體表的細胞與外界環(huán)境進行氣體交換，沒有專門的呼吸器官。 較高等的無脊椎動物已具有呼吸器官，往往由表皮的一部分轉變而來。這部分表皮的面積擴大，或向外突出，如水生甲殼動物和軟體動物的鰓，或向內凹陷，如陸生昆蟲的氣管。這些器官將空氣直接帶到組織中去進行氣體交換，因此無需循環(huán)系統(tǒng)來攜帶。昆蟲氣管是外胚層內陷而成的，其陷入處形成了氣門。氣門有活瓣，可以自由開閉?；旧侠ハx的每個體節(jié)有氣門一對(一般都少于體節(jié)數(shù))。與氣門相連的是氣管，其內壁的外骨骼加厚形成螺旋狀，借以支撐氣管。氣管一再分支，最后形成許許多多的微氣管，分散在各部分組織中。此外，昆蟲的氣管還可以連接成氣囊，氣囊壁很薄，容易伸縮，可以儲藏較多的空氣，以增加飛行時對氧的補給，并能增加在空氣中的浮力。有肌肉控制氣囊的伸縮，調節(jié)空氣進出氣管。水生昆蟲，體壁上有薄片狀或絲狀突起，內含氣管，以便在水中進行氣體交換，這就是氣管鰓。 脊椎動物的呼吸結構都是由消化管的前端發(fā)展變化而成的，如水生脊椎動物的鰓，陸生脊椎動物的肺。水生的哺乳動物如白暨豚、鯨等，雖終生在水中生活，但仍保留了陸生祖先的肺，進行呼吸。 水生脊椎動物的鰓位于咽部，發(fā)生于咽部的鰓裂。鰓裂的前后壁表皮形成許多水平皺褶，稱為鰓絲，組成鰓瓣，里面充滿毛細血管，當水流過鰓時，進行氣體交換，將毛細血管中的靜脈血變成動脈血。低等兩棲類的蠑螈和蛙的幼體蝌蚪也用鰓呼吸。 羊膜動物只在胚胎時期出現(xiàn)鰓裂，以后鰓裂逐漸消失，肺不斷發(fā)育，出生后用肺呼吸。 兩棲類的肺構造簡單，僅僅是一對薄壁的囊，或者囊中稍有隔膜。由于換氣效率低，所以兩棲類的皮膚裸露、濕潤而富有毛細血管，也能輔助呼吸。 爬行類的肺較發(fā)達，肺內分隔成許多的小腔，從而增大氣體交換的面積。它們的皮膚外被鱗甲，不再像兩棲類那樣能進行呼吸。 鳥類的肺十分致密，是一種沒有彈性的海綿狀結構，和薄膜狀的氣囊相連通。鳥類所特有的氣囊共有九個，容積很大，位于內臟之間，能貯存大量空氣。鳥類在呼吸的時候，吸人的空氣先到達肺內，其中的一部分空氣還來不及和毛細血管中的血液進行氣體交換，便進入氣囊。在呼氣時，氣囊中的空氣被壓出體外，但還得通過肺，這就可以順便在肺中補一次氣體交換?？梢婙B類每作一次呼吸運動，肺內就會發(fā)生兩次氣體交換，這是鳥類所特有的“雙重呼吸”。 哺乳類的呼吸系統(tǒng)最為完善。呼吸道由鼻、咽、喉、氣管和支氣管組成。為了保證氣體的暢通，許多部位都有軟骨支持，如鼻軟骨、喉部的多塊軟骨、氣管和支氣管的“C”形軟骨環(huán)等，呼吸道上皮細胞上有纖毛，黏膜可分泌黏液，黏膜內又有豐富的毛細血管。氣體通過時可使之變得溫暖、清潔和濕潤。左右支氣管通人兩肺后一再分支，形成許多非常小的細支氣管，最后形成呼吸性細支氣管和很小的肺泡管。每一肺泡管附有很多肺泡。肺泡是由單層上皮細胞構成的半球狀囊泡，相鄰肺泡之間的組織稱肺泡隔，由豐富的毛細血管、彈性纖維等構成，具有良好的彈性和擴張性。毛細血管網(wǎng)與肺泡上皮緊緊貼在一起，結構很薄，有利于氣體交換。當肺吸氣時，肺泡被動擴張，呼氣時；由于彈性纖維的回縮，使肺泡縮小，利于排氣。 從爬行類開始，開始出現(xiàn)了胸廓，胸廓的運動可改變胸腔容積，由于內外氣壓差的不斷變化，肺泡被動地擴張和收縮，實現(xiàn)與外界的換氣。鳥類由于胸廓結構的特殊，在飛行時胸廓不能活動，利用兩翼的上舉下垂來使胸腔擴大和縮小，借此引起氣囊作唧筒式的動作進行呼吸。哺乳動物具有肌肉質的膈，以及肋間肌和肋骨的配合動作，改變胸腔容積進行呼吸。兩棲類沒有胸廓，借助口腔底壁的升降，使肺的換氣得以進行。 2．呼吸道 人的呼吸系統(tǒng)由呼吸器官組成，包括鼻、咽、喉、氣管、支氣管和肺(圖1-3-14)。鼻、咽、喉組成的的氣體通道稱為上呼吸道，氣管以下的氣體通道(包括肺內各級支氣管)稱為下呼吸道。 (1)鼻 鼻是呼吸道的起始部分，又是嗅覺器官。它由外鼻、鼻腔及鼻旁竇三部分組成。鼻腔被鼻中隔分為左右兩腔，前有鼻前孔與外界相通，后以鼻后孔通向咽部。鼻腔表面襯有黏膜。鼻腔與鼻中隔上部的黏膜內有嗅細胞，司嗅覺。鼻旁竇(副鼻竇)為鼻腔周圍含氣骨腔的總稱，共有四對，即上頜竇、額竇、篩竇和蝶竇。 鼻旁竇均與鼻腔相通，里面襯的黏膜與鼻腔黏膜相連。鼻旁竇參與濕潤和加溫吸人的空氣，并對發(fā)音起共鳴作用。 (2)咽 咽是一個前后略扁的漏斗形肌性管道，由黏膜和咽肌組成。咽的前壁不完整，上部與鼻腔相通，位于鼻腔的后方，稱為咽腔鼻部(鼻咽部)，中部與口腔相通，位于口腔后壁上，有一咽鼓管開口，空氣經(jīng)此口進人中耳的鼓室，以調節(jié)鼓膜內外氣壓的平衡，在鼻咽部的后上壁黏膜內有一團淋巴組織，稱咽扁桃體。 (3)喉 喉是呼吸氣體的通道，又是發(fā)音器官。喉上方借韌帶連于舌骨與咽相通，下方與氣管相連續(xù)，如圖1—3-15所示。 喉結構復雜，由軟骨、韌帶、喉肌和黏膜構成。喉軟骨是喉的支架，主要包括單塊的甲狀軟骨、環(huán)狀軟骨、會厭軟骨和成對的杓狀軟骨等。甲狀軟骨最大，位于舌骨下方，由左右對稱的方形軟骨板構成，其前緣在中線融合構成前角，上端向前突出處稱喉結。環(huán)狀軟骨形似指環(huán)，位于甲狀軟骨下方，起支持呼吸道的作用。會厭軟骨位于甲狀軟骨后上方，上端寬并游離于喉口上方，當吞咽時，喉口被會厭關閉，以防止食物和唾液誤人喉腔和氣管。喉腔表面也被覆黏膜，黏膜在喉腔側壁形成兩對皺襞，上方一對稱室襞，有保護作用。下方一對稱聲襞，又稱聲帶。在聲襞黏膜下有聲帶肌。兩聲襞之間的裂隙稱聲門裂，氣體通過聲門裂時，振動聲帶可發(fā)出聲音(圖1-3-16)。 (4)氣管和支氣管 氣管位于食管前方，為后壁略扁平的圓筒狀管道。上與喉相連，向下進入胸腔，至第4、5胸椎交界處分為左右支氣管。氣管由14—16個半環(huán)狀的氣管軟骨和連于其間的環(huán)韌帶構成，成人的氣管長約11—12cm。氣管軟骨環(huán)的缺口朝向后面，缺口之@間有彈性纖維膜聯(lián)系，其內含有平滑肌。 支氣管分為左、右支氣管。左支氣管細而長，長約4—5 cm，其上方有主動脈弓跨過，右支氣管較短而粗，長約3cm，呈陡直的位置。因此，有異物誤人氣管時，最易墮入右支氣管內。支氣管的構造基本與氣管相似，左、右支氣管在肺門處先分出肺葉支氣管，經(jīng)肺門人肺。 氣管及支氣管壁自內向外由黏膜層、黏膜下層及外膜三層組成。黏膜層有纖毛上皮細胞，纖毛可向咽喉方向擺動，將塵粒與細菌等隨黏液一起運送到咽，經(jīng)咳嗽反射排出。 3．肺 肺為呼吸系統(tǒng)最重要的器官，位于胸腔內縱隔的兩側，左右各一。肺組織呈海綿狀，質軟而輕，富有彈性。右肺因膈下有肝，較左肺寬而略短，左肺因心臟偏左，較右肺窄而稍長。左右肺均近似圓錐形，上端為肺尖，下端為肺底，外側為肋面。肺被肺裂分為數(shù)葉，左肺被葉間裂分為上、下兩葉，右肺被上方的副裂和下方的葉間裂分為上、中、下三葉(圖1-3—14)。 縱隔面中央有肺門，是支氣管、肺血管、神經(jīng)及淋巴管出入肺之處。 肺表面包有臟胸膜(肺胸膜)，光滑透明。肺的顏色隨年齡和職業(yè)而不同。初生兒為淡紅色，成人因不斷吸人塵埃，沉積于肺泡壁內變?yōu)樯罨疑夏耆藙t呈藍黑色，而吸煙人的肺呈棕黑色。肺實質上由導管部(支氣管樹)、呼吸部(主要是肺泡)和肺間質(肺小葉間和肺泡間的各種結締組織細胞、血管、淋巴管、淋巴組織、神經(jīng)等)組成(圖1—3-17)。 (1)肺的導管部 從支氣管人肺門處開始，在左肺分為兩支，右肺內分為三支。各支又各在一個肺葉中央部反復分支，形成樹枝狀，故稱為支氣管樹。其最細的分支稱為細支氣管。一個細支氣管連同所屬的肺組織構成一個肺小葉。支氣管分支次數(shù)越多，管腔越細，管壁越薄，其組織結構也發(fā)生改變，黏膜的上皮逐漸變薄，纖毛和腺體逐漸減少以至消失，外膜的軟骨環(huán)逐漸變?yōu)槠p少，至細支氣管處完全消失，平滑肌則相對地增多。平滑肌的舒張和收縮直接影響管腔的大小。 (2)肺的呼吸部 包括呼吸性細支氣管、肺泡管、肺泡囊和肺泡。 呼吸性細支氣管兼有呼吸通道與氣體交換的功能，其管壁的某些部位向外突出形成肺泡。 肺泡是半球形的囊泡(圖1—3—18)，直徑約200～256um，氣體在此進行交換。電子顯微鏡下觀察，肺泡壁由單層上皮細胞構成，下面襯有一層基膜。成人肺泡約有3-4億個，總