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呼吸

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人类的呼吸系统
人类的呼吸系统
一只雌性美洲短吻鳄呼吸的X光照片。
一只雌性美洲短吻鳄呼吸的X光照片。

呼吸(英语:breathing),生物的一种生理现象,为一种生物细胞的生化作用(称作“呼吸作用”)所呈现出来的外在生理现象,动物及植物皆有。一般人的认知,则是指高等生物,尤其是人类利用肺部吸入呼出空气的过程。不过也有一些动物用其他器官进行气体交换,例如鱼类的以及节肢动物气门

呼吸是维持生物生存需要的生理学呼吸中的一部分[1]。氧气动物需要空气供给细胞新陈代谢和制造能量的来源,能量通常是透过动物所摄取中的食物淀粉所制成的葡萄糖。而把葡萄糖转化为能量的方法有两种,一为有氧呼吸(大部分的动物、昆虫、细菌)和无氧呼吸(少部分的细菌)。有氧呼吸是把氧气分子转化为二氧化碳,从中获取所需的能量。

而呼吸的另一个重要的部分为循环系统把二氧化碳排放掉再把新的氧气由血液送到需要的细胞。气体交换是在肺泡中由气体粒子被动扩散所达成的,所以不需要使用能量。当气体溶于血液中时,左心脏把血液打到全身体各个细胞。由于肺泡呼吸的表面需要易于空气的穿越,所以表面并不是完全干燥的,由肺泡二类细胞英语alveolar type II所产生的液体,让表面湿介而增加空气的穿透力,所以呼吸会导致水分的流失,尤其是排放二氧化碳的时候。

人类的许多辅助功能也和呼吸有关,例如说话、表达情绪(打哈欠)、自主 维护活动(咳嗽打喷嚏等),而不能由皮肤排汗的动物也需要透过喘气进行体温调节。

呼吸原理

吸入空气时辅助肌肉将肋骨前方往上提。因此增加了胸腔前后之间的距离,让胸部得以扩张。肋骨的侧面也有类似的效果,增加胸腔的横向距离
吸入空气时辅助肌肉将肋骨前方往上提。因此增加了胸腔前后之间的距离,让胸部得以扩张。肋骨的侧面也有类似的效果,增加胸腔的横向距离

哺乳类动物在休息时吸入空气的原理是将分隔胸腔及腹腔的横膈膜收缩及变平。横膈膜收缩时会将腹腔往下压,但因为有骨盆底的存在,使下腹部器官无法再往下移动,腹腔会往前扩张,胸腔也随之往前扩张,胸腔容量增加,压力随之下降,因此造成肺部的扩张。在休息时呼出空气的原理则是让横膈膜放松,让横膈膜、胸腔和腹腔回到其解剖弹性位置(也就是在像麻醉或施打肌肉松弛剂时的位置)。这是胸腔的“休息中位”,此时肺部的气体量称为功能余气量,成人约为2.5升[2]。休息时呼出空气需要的时间约为吸入空气时间的二倍,因为在呼出时的横膈膜放松会比吸入时的收缩动作要缓和。,这可以避免空气太过轻易地离开肺泡,呼出体外。

若是剧烈呼吸(过度换气,例如运动后),辅助吸入肌肉(最早用到的是肋间肌,但也会用到许多其他的肌肉,如本段以下所述)会将肋骨在前面及侧面往上推动,因此可以增加肋架英语Rib cage的容积,让在横膈膜下移时胸腔可以增加更大的体积。在呼出时腹部的肌肉会将肋架(从前面及侧面)往下拉,一方面减少肋架容积。也让腹腔器官往上推挤横膈膜,使呼气结束后的胸腔容积远小于休息中位,肺部容积也会比功能余气量要少很多。不过哺乳类动物在正常情形下肺部是不会完全排空的。成人在呼出气体达到最高量时,呼出后肺部仍会有至少一升的容积。

生物的生存是靠完全无意识及自主的呼吸,不过呼吸会暂时的被有意识的控制或是情绪下的反应所影响。人类的说话就是靠特殊型式的呼出空气,不过其他的沟通方式(哭泣、打呵欠、尖叫、大笑)等也是需要在呼吸(维持血液中气体平衡所必要的)以及当时需传达的情感及讯息之间取得平衡。

以下是十条在用力吸气时会用到的肌肉[3]

横膈膜肋间肌斜角肌英语Scalenes胸小肌前锯肌胸锁乳突肌提肋肌英语Levatores costarum muscles斜方肌背阔肌锁骨下肌英语Subclavius muscle

以下是八条在用力呼气时会用到的肌肉[4]

肋间内肌腹内斜肌腹外斜肌提肛肌英语Levator Ani胸横肌英语Transversus thoracis muscle 腹横肌英语Transversus abdominis muscle锥状肌英语Pyramidalis muscle腹直肌

控制

呼吸是人的身体机能中,少数可以有意识(部分)控制,也可以在无意识下进行的机能之一。

有意识控制

人类的游泳有氧运动体适能演讲训练及发声训练中都会练习呼吸的控制,一开始是有意识的控制,之后要慢慢的转换为潜意识下的行为。说话也和有意识的控制呼吸有关。

许多冥想中都会提到有意识的控制呼吸,特别是瑜伽(例如瑜伽呼吸法英语[pranayama]][5]和佛教的禅定

替代疗法中的Buteyko法英语Buteyko method中也提到呼吸的控制,Buteyko法中建议用有意识的控制呼吸来治疗哮喘及其他症状。

无意识

无意识的呼吸是由脑干的特定部位控制,会依身体随时的需要调整呼及的速率及深浅。例如在运动时,肌肉的运动会使产生的二氧化碳量增加,因此会让肺泡(及动脉中)的浓度增加。不过位在脑干中延髓部位的感测器(以及在主动脉颈动脉体的气体感测器)会感测到。这些血液气体感测器会送出神经脉冲讯号给延髓中的呼吸中心英语respiratory center以及脑部的桥脑,会再透过膈神经英语phrenic nerve及其他体细胞运动神经送讯号到横膈膜以及其他和呼吸有关的肌肉,因此会增加呼吸的速率及深度((过度换气)。这可以让身体从休息状态到剧烈运动的过程中,动脉中的分压可以维持一定值。

互相的影响

健康的人不可能无限制的自愿停止呼吸。若人不呼吸,血液中的二氧化碳浓度会提高,会有呼吸困难的症状,若真的一段时间没有呼吸,人体内的氧气会在几分钟内降低到有危险性的水准,会造成脑部的永久损伤以及死亡,因此健康的人会有呼吸反射。不过也有一些例子是有人在二个小时没有呼吸的情形下仍然存活的例子,这只可能出现在淹没在冷水中,触发了哺乳动物潜水反射英语mammalian diving reflex[6],因此让人体进入暂停生命的状态。

若健康的人真的自愿不呼吸一段够长的时间,这个人会失去意识,身体会自动继续呼吸。因此人无法用自愿不呼吸的方式来自杀,除非其呼吸受到其他物体影响(例如水,像是遇溺)。西班牙巴赛隆纳的Aleix Segura Vendrell在2016年2月28日停止呼吸达24分3秒,是停止呼吸最长纪录的保持者[7]

自愿的过度换气会让动脉中的二氧化碳浓度降低到会造成危险的浓度,会造成口部及手脚的感觉异常英语paresthesias(会有针刺感),而手,手臂,脚和脸部也会有特殊形式的肌肉痉挛手足强直英语Tetany)。过度换气症候群常常在生气及激动下出现,非常痛苦,会让人以为是窒息,其实是因为过度呼吸,让血液中的氧气及二氧化碳浓度以及血液酸碱性脱离稳态,进入会造成人体危险的程度。此时血液会呈碱性,而血液在碱性时钙离子的溶解程度会比酸性时要差,因此若过度换气,引起碱中毒,血浆中的钙离子Ca2+降低,让许多的蛋白质改变其三级结构。其中最显著受到影响的是神经纤维中的电压门控钠通道英语voltage gated sodium channels[8],会让神经随机的产生不正当的动作电位,因此造成异常的感觉(感觉异常英语paresthesias)及自发性的肌肉收缩(手足强直英语Tetany)。

成分

氧气是呼吸供气英语Breathing gas的重要成分。

一般最常见的呼吸供气是空气,吸入的气体中,体积比例如下:

除空气外,潜水者的呼吸供气是高含氧或高含氦的气体混合物。有时会给予住院的病人氧气或镇痛气体。宇航服 中的气体是纯氧。由于人类需要的氧气量不高,在氧气浓度太高的环境可能会出现过度活动或兴奋的症状。

呼出的气体成分如下:

呼出的气体中水蒸气约占5%,也含有其他痕量气体:数ppm氢气一氧化碳、1ppm的,小于1ppm的丙酮甲醇乙醇(在没有摄取酒精的情形下,若有摄取酒精,呼出气体中会有较高浓度的乙醇及挥发有机化合物)。细胞呼吸作用需要氧气,其产物是二氧化碳。呼出的气体中氧气及二氧化碳的量会随饮食、运动和健康情形而定。

人类每分钟吸入和呼出约6升空气。呼出气体中的二氧化碳约是吸入气体中二氧化碳的100倍。 [9]

气压

在海拔较高的地区,由于上方的气体较少,其气压会较海平面的气压要低。若呼吸空气的气压过低,可能会会导致高山症缺氧

在水中呼吸到的气体,因为有额外水的重量,其气压会较海平面的气压要高,可能会导致氮醉氧中毒减压症

文化上的重要性

在音乐上,管乐器的演奏及声乐都和呼吸有关。可以视为是快速反复的呼吸,打嗝哈欠喷嚏都是和呼吸有关的现象。而气功太极拳中,呼吸的调整是其训练方式之一。

古代文化会用呼吸或吹气表示生命力,例如旧约圣经中提到“ 耶和华 神用地上的尘土造人,将生气吹在他鼻孔里,他就成了有灵的活人,名叫亚当。”(创世记2章7节《箴言》第28章第17节)。中华文化中会用“断气”表示死亡

呼吸和情绪

一些特定的呼吸模式常伴随特定的情绪出现。因为有这种关系,有许多不同领域的练习者认为可以透过调整呼吸来影响人的情绪。例如较多运用横膈膜及腹部的深呼吸可以让人比较放松而且有自信。替代医学中的整体医学认为调整呼吸有助于身体整体的健康[10],商业顾问则认为有助于释放工作造成的压力。

参见

参考资料

  1. ^ Peter Raven; George Johnson; Kenneth Mason; Jonathan Losos; Susan Singer. The capture of oxygen: Respiration. Biology 8th. McGraw-Hill Science/Engineering/Math;. 2007. ISBN 0-07-322739-0. 
  2. ^ Tortora, Gerard J.; Anagnostakos, Nicholas P. Principles of anatomy and physiology Fifth. New York: Harper & Row, Publishers. 1987: 556–557, 570–572. ISBN 0-06-350729-3. 
  3. ^ All You Need to Know About Inspiratory Muscles Part I | Swimming Science 互联网档案馆存档,存档日期2012-09-27.
  4. ^ All You Need to Know About Inspiratory Muscles Part II 互联网档案馆存档,存档日期December 2, 2015,.
  5. ^ Swami Saradananda, The Power of Breath, Castle House: Duncan Baird Publishers, 2009
  6. ^ Ramey CA, Ramey DN, Hayward JS. Dive response of children in relation to cold-water near drowning. J Appl Physiol 2001;62(2):665-8.Source: Diana Hacker (Boston: Bedford/St. Martin’s, 2002).Adapted from Victoria E. McMillan (Boston: Bedford/St. Martin’s, 2001). See it cited here Archived copy (PDF). [2007-05-24]. (原始内容 (PDF)存档于2007-07-05). 
  7. ^ Longest time breath held voluntarily (male). Guinness World Records. [2016-11-29]. (原始内容存档于2016-11-09). 
  8. ^ Armstrong CM; Cota G. Calcium block of Na+ channels and its effect on closing rate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Mar 1999, 96 (7): 4154–7. Bibcode:1999PNAS...96.4154A. PMC 22436. PMID 10097179. doi:10.1073/pnas.96.7.4154. 
  9. ^ 约翰·法恩登. 彩圖袖珍百科全書. 万里书店出版. ISBN 962-14-1538-1. 
  10. ^ Hobert, Ingfried, 'Healthy Breathing - The Right Breathing' in Guide to Holistic Healing in the New Millenium, Munchen: Verlag Peter Erd, 1999, pp. 48–49

参考文献

外部链接

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