5-3 呼吸與排泄
生物體的新陳代謝環環相扣,各種分解作用與合成作用的產物大多能供體內其他生理反應之用。但是有些新陳代謝的產物會堆積,無法進一步被利用,也就是所謂的廢物,例如:二氧化碳、含氮廢物等。這些廢物的累積通常具有毒性,必須排出體外,此過程稱為排泄。動物體中,二氧化碳由呼吸系統排除;含氮廢物及多餘的水分由泌尿系統排除;體熱則主要由體表排除。本節將以人體為例,說明呼吸系統與泌尿系統的構造與功能。
人體的呼吸系統
呼吸具有多種涵義,我們平常所謂的呼吸,是指吸氣與呼氣,也就是呼吸運動。呼吸作用則是指細胞分解葡萄糖獲得能量的一系列化學反應,需要消耗氧,並釋出二氧化碳;而細胞藉由擴散作用獲得氧,並將二氧化碳排出的過程稱為氣體交換。經呼吸運動所獲得的氧,藉由循環系統運輸至全身的細胞,供細胞進行呼吸作用;而細胞所產生的二氧化碳,也經由循環系統運輸至呼吸系統加以排除。呼吸作用已於上冊第 1 章學過,本節將探討呼吸運動、氣體交換與氣體的運輸。
呼吸器官
人體的呼吸系統包括鼻腔、咽、喉、氣管、支氣管及肺等器官。鼻腔中的鼻黏膜可調節空氣的溫度與溼度,鼻黏膜的黏液及鼻毛可過濾空氣中的灰塵等雜物。咽是呼吸道與消化道的交接處。喉位於氣管的上方,往前凸出形成喉結,在外表上,男性較女性明顯。喉內有聲帶 (圖 5-17b),可因呼出的氣體震動而產生聲音。
氣管的管壁會分泌黏液,可黏附空氣中的雜物而形成痰,並藉管壁上纖毛的擺動上推到喉部,再藉由咳嗽吐出,或吞入消化道中。氣管分支為左、右兩條支氣管,進入胸腔左、右兩側的肺,肺內的支氣管經多次分支形成更小的支氣管,其末端膨大成為肺泡囊,肺泡囊上具有許多的肺泡(圖 5-17c),肺泡壁非常薄,僅由一層上皮細胞組成,表面布滿微血管網,是氣體交換的主要區域。
氣管的管壁會分泌黏液,可黏附空氣中的雜物而形成痰,並藉管壁上纖毛的擺動上推到喉部,再藉由咳嗽吐出,或吞入消化道中。氣管分支為左、右兩條支氣管,進入胸腔左、右兩側的肺,肺內的支氣管經多次分支形成更小的支氣管,其末端膨大成為肺泡囊,肺泡囊上具有許多的肺泡(圖 5-17c),肺泡壁非常薄,僅由一層上皮細胞組成,表面布滿微血管網,是氣體交換的主要區域。
圖 5-17b
圖 5-17c
呼吸運動
壓力的高低決定氣體的流動方向,關鍵在於肺的壓力變化,但肺本身並沒有肌肉可以把空氣擠壓出去,呼吸道也沒有任何構造可以將空氣壓入肺。肺內壓力的高低大部分由胸腔的壓力所決定,當胸腔的壓力上升時,擠壓肺壁,將肺內的氣體壓出;當胸腔的壓力降低時,外界的空氣進入肺內。而胸腔是個密閉的體腔,其壓力與體積成反比,所以改變胸腔的體積,就可以改變胸腔的壓力,進而造成氣體進、出肺。
胸腔的體積由橫膈與肋骨的位置所決定。橫膈介於胸腔與腹腔之間,外形像是一個倒覆的臉盆,吸氣時,橫膈肌收縮,使橫膈往下降,增加胸腔的垂直徑,同時肋間肌收縮,使肋骨和胸骨上提向前,增加胸腔的橫徑與前後徑,因此胸腔體積擴大,肺內壓力低於大氣壓力,造成吸氣。呼氣時,肋間肌舒張,使肋骨及胸骨向下移,橫膈肌舒張,使橫膈向上突,胸腔體積縮小、肺內壓力大於大氣壓力,造成呼氣。
可見我們平時吸氣時比較費力,涉及橫膈肌與肋間肌的收縮,而呼氣則是一種呼吸肌肉放鬆的狀態。但我們也會有用力呼氣的時候,例如:打噴嚏、咳嗽、唱歌、吹氣球,或是劇烈運動後的急促呼吸,這些情況下,腹部的肌肉會用力收縮,使得橫膈更往胸腔的方向擠壓,促使胸腔的壓力大增,縮短呼氣的時間、增加呼氣的量。
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胸腔的體積由橫膈與肋骨的位置所決定。橫膈介於胸腔與腹腔之間,外形像是一個倒覆的臉盆,吸氣時,橫膈肌收縮,使橫膈往下降,增加胸腔的垂直徑,同時肋間肌收縮,使肋骨和胸骨上提向前,增加胸腔的橫徑與前後徑,因此胸腔體積擴大,肺內壓力低於大氣壓力,造成吸氣。呼氣時,肋間肌舒張,使肋骨及胸骨向下移,橫膈肌舒張,使橫膈向上突,胸腔體積縮小、肺內壓力大於大氣壓力,造成呼氣。
可見我們平時吸氣時比較費力,涉及橫膈肌與肋間肌的收縮,而呼氣則是一種呼吸肌肉放鬆的狀態。但我們也會有用力呼氣的時候,例如:打噴嚏、咳嗽、唱歌、吹氣球,或是劇烈運動後的急促呼吸,這些情況下,腹部的肌肉會用力收縮,使得橫膈更往胸腔的方向擠壓,促使胸腔的壓力大增,縮短呼氣的時間、增加呼氣的量。
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氣體交換與氣體的運輸
動物體的氣體交換包含外呼吸與內呼吸。個體和外界環境間的氣體交換稱為外呼吸,人體的外呼吸則是在肺泡與微血管間進行,又稱為肺呼吸;體液和細胞之間的氣體交換稱為內呼吸,人體則是在微血管網與組織的細胞間進行,又稱為組織呼吸。
人體的氣體交換以擴散的方式進行。在肺部,由於呼吸運動,氧的分壓在肺泡腔中大於微血管中,二氧化碳的分壓則相反,因此氧由肺泡擴散進入微血管,二氧化碳則由微血管擴散進入肺泡中。在細胞中,由於呼吸作用消耗氧、產生二氧化碳,使得二氧化碳的分壓在細胞中高於微血管中,氧的分壓則相反。因此,二氧化碳由細胞擴散進入微血管,氧則由微血管擴散進入細胞中。
氧與二氧化碳都由血液運輸。血液中的氧主要由紅血球運輸,紅血球含有暗紅色的血紅素,血紅素可以與氧結合,形成鮮紅色的氧合血紅素,其反應式如下:
人體的氣體交換以擴散的方式進行。在肺部,由於呼吸運動,氧的分壓在肺泡腔中大於微血管中,二氧化碳的分壓則相反,因此氧由肺泡擴散進入微血管,二氧化碳則由微血管擴散進入肺泡中。在細胞中,由於呼吸作用消耗氧、產生二氧化碳,使得二氧化碳的分壓在細胞中高於微血管中,氧的分壓則相反。因此,二氧化碳由細胞擴散進入微血管,氧則由微血管擴散進入細胞中。
氧與二氧化碳都由血液運輸。血液中的氧主要由紅血球運輸,紅血球含有暗紅色的血紅素,血紅素可以與氧結合,形成鮮紅色的氧合血紅素,其反應式如下:
血紅素與氧的結合率和氧的分壓有關,肺泡微血管內氧的分壓高,有利於反應向右進行,氧與血紅素結合,在血液中運輸;組織微血管內氧的分壓低,有利於反應向左進行,氧與血紅素分離,擴散進入組織的細胞。
二氧化碳主要在血漿中運輸,但是二氧化碳不易溶於水,組織細胞產生的二氧化碳大多會進入紅血球,在酵素的催化之下與水結合形成碳酸,碳酸可解離出氫離子與碳酸氫根離子,而碳酸氫根離子離開紅血球在血漿中運輸,其反應式如下:
二氧化碳主要在血漿中運輸,但是二氧化碳不易溶於水,組織細胞產生的二氧化碳大多會進入紅血球,在酵素的催化之下與水結合形成碳酸,碳酸可解離出氫離子與碳酸氫根離子,而碳酸氫根離子離開紅血球在血漿中運輸,其反應式如下:
內呼吸時,組織微血管內二氧化碳的分壓高,有利於反應向右進行,形成碳酸氫根離子與氫離子,使血液的pH 值降低。外呼吸時,肺泡微血管內二氧化碳的分壓低,有利於反應向左進行,最後使得二氧化碳與水分離,並藉由呼吸系統排出體外。此外,血液中pH 值降低時,腦部組織液的pH 值也會降低,並刺激延腦的化學受器,引發呼吸頻率及呼吸深度的增加,加速二氧化碳的排除,以維持血液中酸鹼值的恆定性。
5-3 人體的泌尿系統
人體新陳代謝所產生的含氮廢物以尿素為主,主要由泌尿系統以尿液的形式排除。此外,泌尿系統還可以排除多餘的礦物質與水分,以維持體液的滲透度、酸鹼值與血壓的恆定。
人體的泌尿系統包括腎臟、輸尿管、膀胱與尿道。腎臟內側凹陷處有一條向下延伸的細管,稱為輸尿管,直通腹腔底部的膀胱。膀胱可暫時儲存來自腎臟的尿液,當尿液儲存到一定容積時,便會引發尿意。排尿時,膀胱肌肉收縮、尿道括約肌舒張,將尿液經尿道排出體外。
人體的泌尿系統包括腎臟、輸尿管、膀胱與尿道。腎臟內側凹陷處有一條向下延伸的細管,稱為輸尿管,直通腹腔底部的膀胱。膀胱可暫時儲存來自腎臟的尿液,當尿液儲存到一定容積時,便會引發尿意。排尿時,膀胱肌肉收縮、尿道括約肌舒張,將尿液經尿道排出體外。
腎臟的構造
人體的腎臟左、右各一,位於腹腔背面、脊柱的兩旁,形如蠶豆,俗稱「腰子」。腎臟內側中央略微凹陷,此處稱為腎門,是腎動脈、腎靜脈與輸尿管進出腎臟的門戶。腎臟的構造和功能單位稱為腎元,每個腎臟都由一百多萬個腎元構成。腎元由腎小管、鮑氏囊與絲球體組成,腎小管的一端連接鮑氏囊,另一端連接集尿管。鮑氏囊是杯狀構造,其內部的絲球體是微血管網,此外,腎小管的周圍被另一組微血管網所纏繞,這些微血管網皆與尿液的形成有密切的關係。
尿液的形成
腎臟清除廢物的方式,並非直接把廢物從血液中抽離,而是將血液中各種小分子物質過濾到腎小管,再將其中有用的物質重新吸收回血液中。
尿液的形成過程包括過濾作用、再吸收作用與分泌作用。過濾作用在絲球體與鮑氏囊間進行,當血液由小動脈進入絲球體時,除了血球及大分子物質之外,血液中其他的成分幾乎都可以自絲球體過濾到鮑氏囊中,形成濾液。濾液流入腎小管後,有機養分及大部分的水與礦物質會被吸收,進入腎小管周圍的微血管網中,稱為再吸收作用。另外,腎小管旁的微血管內的某些廢物,例如:鉀離子、氫離子、藥物、毒物等,會被主動分泌至腎小管內,以加速這些廢物的排除,稱為分泌作用。經過上述步驟,腎小管中的水分、礦物質與各種廢物便會輸送至集尿管,當濾液到達集尿管的末端時即為尿液。
再吸收作用與分泌作用主要是以主動運輸的方式進行,因此,腎臟是人體高度耗能的器官,如果缺氧,將會對腎臟造成很大的傷害。
尿液的形成過程包括過濾作用、再吸收作用與分泌作用。過濾作用在絲球體與鮑氏囊間進行,當血液由小動脈進入絲球體時,除了血球及大分子物質之外,血液中其他的成分幾乎都可以自絲球體過濾到鮑氏囊中,形成濾液。濾液流入腎小管後,有機養分及大部分的水與礦物質會被吸收,進入腎小管周圍的微血管網中,稱為再吸收作用。另外,腎小管旁的微血管內的某些廢物,例如:鉀離子、氫離子、藥物、毒物等,會被主動分泌至腎小管內,以加速這些廢物的排除,稱為分泌作用。經過上述步驟,腎小管中的水分、礦物質與各種廢物便會輸送至集尿管,當濾液到達集尿管的末端時即為尿液。
再吸收作用與分泌作用主要是以主動運輸的方式進行,因此,腎臟是人體高度耗能的器官,如果缺氧,將會對腎臟造成很大的傷害。