呼吸机制与呼吸调节

对于所有生物来说，包括人类，氧气都是生存所必需的。变形虫是一种单细胞生物，它通过其表面进行呼吸。气孔是植物用来呼吸的微小孔隙。人类也是通过微小的孔隙进行呼吸的，这些孔隙就是气管。那么，食物是如何为我们提供能量的呢？呼吸作用就是将食物氧化，通过将氧气吸入组织（来自肺部）来释放能量和二氧化碳的过程。

定义：呼吸既是一种生理过程，也是一种生化过程。在呼吸的生化过程中，当食物被氧化时，氧气被吸入体内，二氧化碳被排出体外。这一过程被称为细胞呼吸。

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 能量（ATP）

细胞与外部环境之间的氧气交换是一种生理现象。然而，如果没有生理呼吸作用，细胞呼吸就无法进行。

我们的身体每个细胞都需要能量。葡萄糖是细胞用来产生能量的主要燃料。细胞的生命活动依赖于持续的能量供应。呼吸作用的类型包括：

有氧呼吸 - 有氧呼吸需要氧气。为了产生能量，葡萄糖会被分解，并且在这个过程中氧气被用来参与分解反应。这一过程会产生水和二氧化碳。其反应过程可以表示为：

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 能量（2870千焦）

**厌氧呼吸**：在厌氧条件下进行时，环境中不存在氧气。这一过程中葡萄糖的氧化不完全，会转化为乙醇或乳酸等碳化合物，并伴随少量能量的释放以及二氧化碳的产生。酵母通过厌氧方式进行的这一过程被称为“酒精发酵”。其具体过程如下：

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 能量（247 kJ）

在剧烈运动时，肌肉无法获得足够的氧气，因此它们会通过无氧呼吸来释放能量。这个过程就是乳酸发酵。举个例子：

C6H12O6 → 乳酸 + 二氧化碳 + 能量

在整个呼吸周期中，需要执行以下步骤：

• 肺通气或呼吸
• **外部呼吸**
• 氧气向组织的输送
• 体内呼吸
• 二氧化碳从组织中的运输

肺通气或呼吸

在这个过程中，空气进入肺部并离开肺部。此外，在向肺泡输送氧气的过程中，呼吸还会排出二氧化碳。呼吸主要由肋间肌控制，其中膈肌起着最重要的作用。十二对肋骨之间的区域由十一对肋间肌占据。肋间肌分为两层：外侧肋间肌和内侧肋间肌。膈肌是一个肌肉穹顶，将胸腔和腹腔分隔开来。呼吸是由于胸腔的压力和体积发生变化而发生的。肺内气压的变化会影响空气在肺内的流动方向。空气会从高压区域流向低压区域。

呼吸过程涉及两个步骤：

吸入

空气压力的降低加上胸腔体积的增大导致了这一现象。当外部肋间肌和膈肌同时收缩时，胸腔会扩张。随着膈肌和外部肋间肌的收缩（向下运动），肺的体积也随之增加！

以下是涉及的事件：
首先，是外侧的肋间肌收缩，而内侧的肋间肌放松。当外侧肋间肌收缩时，胸腔会扩大；膈肌下降，进一步增加了胸腔的容积。随着胸腔的扩张，肺部也随之扩张。在呼吸过程中，肺部充满空气以平衡内部的压力，从而使内部压力降低。

有效期

气压的增加以及胸腔体积的减小导致了这一现象的发生。

涉及的事件包括：
内侧肋间肌收缩时，外侧肋间肌则放松。内侧肋间肌的收缩使肋骨向胸腔内移动，导致胸腔体积减小，同时膈肌也被拉向上方。由于肺部受到压缩，空气压力增加，进而使得肺部也被压缩。

**外部呼吸**

肺泡毛细血管连接着呼吸膜，负责在肺泡和血液之间传递气体。氧气和二氧化碳的扩散依赖于压力差——例如，大气与血液之间、血液与组织之间的压力差。在呼吸过程中，气体交换发生在肺泡与其表面的毛细血管之间。氧气和二氧化碳分子根据不同的分压从大气的一个区域扩散到另一个区域。肺泡中的氧气压力为104毫米汞柱（mmHg），而血液中的氧气饱和度为40毫米汞柱。肺泡中的二氧化碳压力也为40毫米汞柱，血液中的二氧化碳压力为45毫米汞柱。在肺泡毛细血管中，静脉血中含有高浓度的二氧化碳，而氧气浓度较低。从高压区域（静脉血）向低压区域（肺泡）扩散，直到达到平衡状态。在整个肺泡和血管系统中，氧气和二氧化碳以相反的方向进行扩散。

呼吸调节

有两种机制调节呼吸过程：

• 神经机制
• 化学机制

神经或神经系统机制 - 呼吸中枢、传入神经和传出神经都参与了神经系统的功能。

呼吸中枢——位于延髓和脑桥中的呼吸中枢会接收关于血液中氧气和二氧化碳浓度的感觉信息，并利用这些信息来调节呼吸肌肉的活动。对这些呼吸肌肉的刺激会通过呼吸运动促进肺泡的通气。这些呼吸中枢位于脑干的网状结构中，其功能会根据其组织方式的不同而有所差异。

共有两组呼吸中心：

• **桥脑中心**
• 髓质中心

每个小组由两个中心组成：
**桥脑中心（Pontine centers）**

• **呼吸暂停中心**
• **Pneumotaxic center**

髓质中心

• 呼吸中心
• **呼吸中枢**

**呼吸中枢** - 呼吸中枢位于脑桥的下部。
功能：通过直接作用于吸气中枢，该中枢能够增加吸气的深度。

**肺牵张中枢**位于**上脑桥**区域，其神经细胞起源于**副脊髓核**（parabrachial nucleus）。
功能：该器官包含呼吸暂停中枢，该中枢控制着延髓中的呼吸中枢。吸气中枢始终处于被控制的状态，因此它们的活动在调节吸气持续时间方面起着重要作用。

**呼吸中枢**：位于延髓（medulla oblongata）中，处于吸气中枢的后方和外侧。呼吸神经元（respiratory neurons）也被称为呼吸中枢（respiratory centers），主要分布在延髓的腹侧群。该结构包含来自“retro-ambiguous核”（nucleus retro-ambiguous）、“ambiguous核”（nucleus ambiguous）等神经元的细胞。
功能：由于强制呼吸所引起的抑制作用，当使用强制呼吸时，吸气中枢会变得活跃。而吸气中枢的不活跃状态是由于平静呼吸造成的，平静呼吸主要由吸气中枢主导。

**呼吸中枢**：呼吸中枢位于延髓的顶端，也被称为“背侧呼吸组”。这个神经核由“孤束”（tractus solitarius）构成。
功能——灵感就是最重要的功能。