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嗨,我是安德森。歡迎來到這集播客的主題--呼吸系統。
簡而言之,呼吸系统的功能, 就是獲取氧氣,以及排出二氧化碳。
在蒙大拿州這兒,海拔約5000英尺,人體還不會有什麼不適。
但假如我想登上聖母峰, 那麼隨著海拔越高,空氣中氧氣量將會越加闕如。
若真要登上山頂,更是在挑戰人體的極限。 因此,直到1953年
埃德蒙‧希拉里和登津‧諾蓋兩人, 才首次攻下喜馬拉雅山的頂峰。
你可以看到登津‧諾蓋,當時身處尖峰時的英姿-- 這是史上第一張,於1953年在
喜馬拉雅山極峰拍下的相片。 注意相片中的此處,他的後面其實還背了一個
龐大的罐裝容器,內裝有氧氣,直通到他的嘴裡。 很顯然,
當時的他們仍需要氧氣。 到了1971年,有人更是成功挑戰了
完全未攜帶氧氣罐而攻頂。怎麼作到的呢? 他們先在山下設立一個基地,
藉由不斷地攀上又爬下......進行適應性訓練,
讓身體開始慢慢適應高海拔、低氧的環境。但即便如此,
由於氧氣真的太過稀薄,攻頂的同時,人體也是在瀕死的狀態。 而對動物來說,基本上牠們
演化出了一些不盡相同的方法,來獲取氧氣。 例如,蚯蚓的呼吸系統正是牠們的皮膚,
牠們透過皮膚,直接與外界進行氧氣與二氧化碳的交換。
因此,蚯蚓的皮膚必須保持潮濕,此外,它也必須擁有大的表面積。
昆蟲則是利用所謂的「氣門」呼吸--在蟲體兩側
這些氣門內往內連通到氣管,而氣管本身,又會分出更多的微氣管。
最後,實際上昆蟲的這些呼吸管道,會幾乎一路延伸到
細胞的層級。所以,除了必須要有很大的表面積,
保持表面潮濕也是呼吸系統的特色。 另外我想介紹兩個主要的
呼吸系統為:水生動物如魚類的「鰓」,以及陸生動物,
如我們人類自己,的「肺」。 一樣都是呼吸器官,這兩者有什麼差異呢?
魚類為水生動物,因此保持潮濕,對其呼吸器官並不成問題--
魚鰓本身就一直浸潤在水中。然而,有些魚類
也會生存於氧氣卻乏的環境, 因此牠們必須發展出,一個極度有效的氧氣交換方式。
至於人類,我們的呼吸器官乃包埋於胸腔內部,藉此維持濕度;
由於空氣中的含氧量,相較於水中的溶氧量高出許多,
因此,人類的肺並不用具有,如魚鰓般如此高的效率。 究竟在魚體內,鰓的效率需求到底有多高呢?
魚鰓可以自水中,擷取高達八成左右的溶氧量! 效率堪稱絕佳。
人類的肺和它相較起來,可謂天壤之別。而這其中的玄機在於,
魚鰓擁有一種稱為「逆流式氣體交換」的機制,藉以高效地捕獲氧氣:
當血液流過鰓的時候,血液會像這樣從圖示中, 紅色的入口流入,
從另一端藍色的出口流出。所以說,在鰓內部,
血液流向有個方向性,而同一時間,
水流則朝著相反方向流動。像這樣,血液流向左,
水逆流向右。當一隻魚兒在水中優哉游哉的同時,
水會自然通過牠的鰓,而這條魚的血液則朝著相反的方向流動。
仿生工程師也廣泛應用了此一逆流交換的機制。 這樣的設計,到底,如何達成其高效率的交換呢?
讓我們看看這兒的缺氧血,自右而左它開始接收氧氣,
也就是說,它的氧氣含量變得越來越多了。
而當血液含氧量增多的同時, 它所遇到的水流也變得越來越新鮮--
亦即水中溶有越多的氧氣。 因此,藉著使得血液逆著水流的方向流動,
氧氣自水中的擷取效率,得以大幅增強。 回來談到人類,我們的氣體交換效率相對地不用很高,
我們陸生動物要確保的是,呼吸器官在體內保持著濕潤。
為了確保這點,相對於魚鰓處在水中,人類將肺包埋於胸腔內。
我們擁有「氣管」往下分出兩條「支氣管」, 支氣管再往肺臟內部分支出多條「小支氣管」,
小支氣管最後則終於「肺泡」。很重要的一點是: 氣體進來之後,便不像魚鰓有另一個離開的出口。
換句話說,空氣單方向吸入肺臟後,就到達了呼吸系統的終點。
因此,如果你吸菸,那些菸草當中被吸入的物質
便會累積在肺當中,難以再排出。而如果你吸入了很多煤塵,
這些顆粒也將會卡在肺裡。吸入石綿亦會阻塞肺部。
因此,氣管等呼吸系統的器官內襯,
具有許多這張圖所示的「纖毛」。這些細小的毛會擺動,
把呼吸系統當中的大顆粒往上推動, 最後藉由咳嗽排出體外,或是吞嚥進入消化系統。
另外,關於肺臟,很酷的一點是, 它的形狀看起來像一顆
倒立的樹,這種結構的生理意義是, 使得樹的末梢接觸面積最大化。
氣管之所以不斷地分叉,成為支氣管與小支氣管,
又一直不斷地分支下去......
最終目的,就是為了增加總表面積。 所以,縱然肺臟的體積並不大,
我記得有文獻數據顯示,它的總表面積展開後,跟一整個網球場一樣大! 重申一遍,藉由無數分支而產生若大的表面積,
我們得以獲取更多的氧氣。而肺臟的結構單位為肺泡。
如果我們一路追蹤小支氣管到末端,便可以觀察到
這些小囊狀物,它們被稱為肺泡。肺泡被一片的細胞層--
稱為「單層扁平上皮」所覆蓋。這群細胞會自然而然地往內摺疊,
成為類似一顆顆的小氣球。 而正因為這種自發性內摺的傾向,
這些小氣球的內壁, 必須分泌一種稱為「界面活性劑」的化學物質以自我潤滑,
以防止它們自我沾黏在一起,導致肺泡閉合。 這也正是早產兒,為什麼需要呼吸器的原因:
他們的肺泡尚未發育到,能夠分泌界面活性劑的階段。 再者我們看到
圍繞著這些肺泡的微血管,氣體交換從而產生:
氧氣自肺泡經由微血管擴散到血液裡,
微血管裡的二氧化碳,也同時排除到了肺泡當中, 此即肺泡的功能。
那麼「呼吸」這個動作又是怎麼發生的呢?橫膈乃是關鍵。
如果你有過打嗝的經驗,它的原理很簡單--橫膈的瞬間痙攣。
橫膈位在胸腔的底部,當它收縮並向下牽動時,
空氣便會自動被吸入肺裡面。這就好比一個罐筒,
內裝有氣球,底下這兒有個彈性的橡膠膜,當我於此處牽動它時,
當我下拉這片橡膠膜,基本上,這將會使內部的氣球膨脹,
因為所造成的罐筒內低壓,氣體會流入氣球中。相反地,
如果停止拉扯橡膠膜,罐筒內氣壓回升,氣球就會像這樣縮回。 再次收縮,氣球照樣膨脹。
重要的是,肺的運作原理與上述的罐筒模型如出一轍。
前提是,我們必須保證胸腔的完整閉密性,
以確保壓力會隨著體積而變化。 現在讓我們進入微觀的世界,看看氧氣的交換機制。
氧氣如何進到我們身體裡面呢?當我們審視這兒的微血管,
想像一下微血管壁的右邊為肺泡腔,
而肺泡腔內部有空氣;基本上,當這些紅血球
一個個通過微血管時,空氣中的氧氣,
便會自肺泡當中,擴散進入紅血球。 這些紅血球幾乎與微血管壁相接觸。
那麼進到紅血球的這些氧分子將如何被儲存呢? 有一種稱為「血紅素」的分子,
它是一種蛋白質,簇集佈滿於所有紅血球細胞裡頭, 紅血球因而是紅色的!
在血红素的分子當中,這兒共有四個鐵離子,
而這幾個鐵離子將會與空氣中氧氣的鍵結。
所以說血紅素又為何是紅色的呢? 因為,如同字面上的意義,血紅素正遭逢「生鏽」反應--
連接到鐵離子上的氧分子,正是造成血紅素紅色的緣由。 所以血紅素提供了氧氣結合的位置,
更具體來說,氧氣結合在血紅素中,含鐵的「血基質」上面。
那麼二氧化碳呢?二氧化碳並非全然由紅血球攜帶,
基本上,它們在血液中,會先被轉換成重碳酸鹽,
亦即將溶於水中的二氧化碳,轉換成重碳酸鹽的形式,
實際上,大量的重碳酸鹽會存在於, 這兒,血液裡的「血漿」當中,當然有少部分
會跑到紅血球裡面,但大部分仍溶在血漿裡。當它們流到在肺泡時,
我們有一種特殊的酵素,會將重碳酸鹽再從血液裡, 轉換回二氧化碳的形式被釋放。
二氧化碳而後進入肺泡,接著便被我們呼氣排出體外。
以上整個過程不斷反覆的持續著,此即我們的呼吸系統。
由此可見,呼吸系統的運作尚須仰賴-- 我們下次即將介紹的「循環系統」。
希望以上內容有所助益。