《全国高中生物学联赛教程》第二讲呼吸系统

《全国高中生物学联赛教程》第二讲呼吸系统
动物的异化作用主要通过呼吸作用来完成。

有氧呼吸使得异化作用的效率更高。

学习动物的呼吸系统，应把握动物体的组织细胞是如何获得氧气和排出代谢废物二氧化碳的。

赛点精析
呼吸是机体与外界环境之间进行气体交换的过程，主要是机体从外界吸入氧气和从机
体内呼出二氧化碳的过程。

细胞进行气体交换的共同特点是在湿润的膜表面进行扩散。

单
细胞生物通过体表与外界进行气体交换。

伴随动物的进化，出现了复杂的呼吸器官，并形
成一套完整的呼吸系统。

一．无脊椎动物的呼吸系统
涡虫和蚯蚓用皮肤呼吸，皮肤有分泌粘液保持湿润的能力。

较高等的无脊椎动物已具
有呼吸器官（最早出现专职的呼吸器官的动物是软体动物），往往是表皮的一部分转变而成。

如：沙蚕的肉足、河蚌的鳃，肉足和鳃都是表皮外突而成，其中有很丰富的血液供应。

蜘
蛛的书肺（腹部体表内陷而成的小囊，内有并列的小叶成书页状）；鲎的书鳃（与书肺是同源器官）；海参的呼吸树（图1）；蜻蜓的稚虫的“直肠鳃”；昆虫的气管，表皮陷入处形成
气门，一般每个体节有一对气门，气门通入体内的气管，气管一再分支，最后成极细而薄
的小气管，深入到各组织细胞之间，以盲端终（图2）。

气门一般都有瓣膜，可自由开关，
干旱时气门极少数张开，且时间很短，以防止体内水分不必要的消耗。

节肢动物不依靠血
液而依靠气管将空气直接送到组织，这是对陆生环境的高度适应。

呼吸树
肠
图1 海参的呼吸树
二．脊椎动物的呼吸系统
B．小气管分支入组织A．蚱蜢的气管系
图2 昆虫气管系统
脊椎动物的呼吸器官都是由消化管的前端发展而成，除鱼类外，都是用肺呼吸，少数无脊椎动物（蜗牛、淡水的椎实螺）也是用“肺”进行气体交换，但它们的肺其实是外套腔，与脊椎动物的肺不是同源器官，而是同功器官。

㈠鱼类：大多用鳃（图3）呼
吸，鳃的特征：①表面积很大；
②丰富的血液流过；③逆流交换
气体（图4）。

少数鱼类（肺鱼、
总鳍鱼）也是用肺呼吸但其肺只
是消化管向腹面伸出的一个气囊。

图4 血液逆流交换㈡两栖动物：幼体营鳃呼吸，变态后，内鳃消失，用肺呼
吸。

其肺是一对中空半透明和富有弹性的薄壁囊状结构，肺内被网状隔膜分隔成小室，称
图3 鱼鳃的结构
为肺泡。

两栖动物的肺结构还比较简单，需要辅助呼吸器官——皮肤来协助。

两栖动物的呼吸运动称口咽式呼吸（主要是“正压”通气），依靠口腔底部的升降来完成，并由口腔粘膜进行气体交换。

㈢爬行动物：其肺形同两栖类，也是囊状的，但内部具有更复杂的间隔，使之分隔成无数蜂窝状小室，并分布着极其丰富的肺动脉和肺静脉的微血管，因而比两栖动物能更有效地扩大与空气接触及交换气体的表面积。

㈣鸟类：呼吸系统十分特化，具有非常发达的气囊系统与肺气管相通连。

气囊的存在，使鸟类产生独特的呼吸方式——双重呼吸。

鸟肺的相对体积较小，是一种海绵状的结构，主要是由大量的细支气管组成，其中分支最细的称为三级支气管，在三级支气管周围有放射状排列的微气管，其外分布有众多的毛细血管，气体交换即在此处进行，它是鸟肺的功能单位。

气囊是鸟类的辅助呼吸气管（气囊还能调节体温，减轻比重），一般有9 个，除锁间气囊为单个外，均系左右成对。

（图5）
图5 鸟类的气囊和气流方向（A．腹面观；B．气流交换）
鸟类吸气时，新鲜空气沿中支气管大部直接进入后气囊，同时，一部分气体经次级支气管和三级支气管、在肺内微气管处进行气体交换。

吸气时前后气囊同时扩张，呼气时同时压缩。

当鸟类呼气时，肺内含CO2多的气体经由前气囊再排出。

此时后胸气囊中所贮存的气体经由“返回支”进行气体交换，再经前气囊、气管而排出。

一股吸入的空气要经过2 次呼吸运动才排出体外，但作为鸟类的连续呼吸过程，不论每一次吸气及呼气，肺内总是有连续不断的富含氧气的气体通过，这与其他脊椎动物不同。

与同样大小的哺乳动物比较，鸟类的肺容积小，但由于有气囊和较大的气管，鸟类整个呼吸系统的容积却比哺乳动物的大三倍。

㈤哺乳动物：哺乳类的呼吸系统十分发达，空气经外鼻孔、鼻腔、喉、气管而入肺。

⒈人体呼吸系统的结构特点：
鼻腔→咽→喉→气管→支气管→细支气管→呼吸细支气→肺泡管→肺泡
呼吸道（气体通道）肺（气体交换的场
⑴鼻腔：最早的功能是嗅觉器官；其内的毛细
血管有温暖冷空气的作用。

⑵肺泡与气体交换相适应的特点：①肺泡壁薄，
由一层上皮细胞构成；②数目多，气体交换面积大；
③外缠丰富的毛细血管和弹性纤维（呼气时回缩）。

⑶呼吸膜（图6）及表面活性物质：肺泡与毛
图6 呼吸膜示意图
细血管之间的气体交换是通过呼吸膜来实现，呼吸膜由毛细血管的内皮层，基膜层、间隙、肺泡上皮层、液体层和表面活性物质层所构成。

表面活性物质是由肺泡的Ⅱ型细胞分泌的，主要成分是二棕榈酰卵磷脂，能降低肺泡表面张力，维持大小细胞的容积，避免肺水肿。

⒉呼吸的全过程：包括外呼吸、气体在血液中的运输、内呼吸这三个相互联系的环节：
⑴呼吸运动——胸廓在呼吸肌的参与下节律性的扩大和缩小，是肺通气的原动力。

平静呼吸过程中，吸气时，膈肌和肋间外肌收缩→胸廓的上下、左右、前后径增大→胸腔和肺容积增大→肺内压下降→肺泡与大气压间产生压力差→气体入肺；呼气时，膈肌和肋间外肌弛缓→肺弹性回缩→胸腔和容积减小→肺内压升高→气体出肺。

平静呼吸时，吸气是主动的而呼气是被动的。

深呼吸过程中，用力吸气时，不仅膈肌和肋间外肌的收缩加强，且斜纹肌、胸锁乳突肌等呼吸辅助肌也参加收缩，使胸廓的扩大程度大大增加；用力呼气（主动呼气）时，除膈肌和肋间外肌松弛外，呼气肌（腹壁肌和肋间内肌）也参与收缩，使胸廓容积进一步缩小，以增大呼气量。

在呼吸运动中肋骨、胸骨和膈的运动是协同的。

主要由肋骨和胸骨运动产生的呼吸运动称胸式呼吸；主要由膈肌舒缩引起的呼吸运动则称腹式呼吸。

人的呼吸类型是混合型呼吸（70％肺容变化是腹式呼吸）。

⑵肺内压和胸内负压：①肺内压指肺泡内的压力。

肺与外界空气借呼吸道而相通，故肺内压应与外界大气压相等。

但在呼吸运动的周期中，气体所以能进出肺泡，是因肺泡与外界空气间存在可变的压力差。

在吸气之初，肺容积随肺扩张而加大，肺内压低于大气压，使外界气体进入肺内，到吸气末，肺泡内压力又恢复到与大气压相等；呼气之初，肺内压随肺容积减小而升高，超过大气压而使肺内气体排出体外，在呼气末，又回降到与大气压相等。

②胸内压为胸膜腔内的压力，因其低于大气压称为胸内负压，是肺的回缩力所造成。

胸内压=肺内压—肺的回缩力。

肺的回缩力是由肺泡壁弹性纤维回缩力与肺泡表面张力所
造成的回缩力共同构成，以后者为主。

胸内负压的生理意义在于：一方面可以使肺保持稳定的扩张状态而不致萎陷；另一方面可作用于胸腔内的心脏和大静脉中的血液的回流和淋巴液的回流。

⑶肺容量——肺容纳的气体量，可分以下几个组成部分（图7）：
①潮气量：平静呼吸时，每次吸入和呼出
的气体量。

②补吸气量：在平静呼吸之后再尽力深吸
气，所能吸入的气体量。

③补呼气量：在平静呼吸之后再尽力深呼
气，所能呼出的气体量。

④肺活量：最大深吸气后，再尽力深呼气，
所能呼出的气体量。

肺活量=潮气量+补吸气量
+补呼气量图7 肺总量的各部分
3 ⑷肺通气量
①每分通气量：每分钟吸入和呼出的气体量。

每分通气量=潮气量×呼吸频率（次 /min ）。

②肺泡通气量：肺泡通气量=（潮气量—无效腔气量）×呼吸频率。

进入肺泡的气体 不能与血液进行气体交换的无效腔称肺泡无效腔，解剖无效腔与肺泡无效腔合称生理无腔。

由于无效腔的存在，每次吸入的空气并不全部进入肺泡，所以低频深呼吸效果更好。

⑸气体在血液中的运输：O 2 与血红蛋白结合，以氧合血红蛋白的形式运输；CO 2 主要
（75%）以 HCO -形式运输，少量（20%）以氨甲酰血红蛋白形式运输。

3．呼吸的调节：呼吸运动与心脏活动相似，都能有节奏的、日夜不停的活动。

呼吸运动受神经系统和体液的共同协调。

⑴神经调节：延髓存在控制节律性呼吸的基本中枢，脑桥存在呼吸调整中枢和长吸中枢，大脑皮层存在随意呼吸控制中枢。

⑵体液调节：
① 二氧化碳对呼吸的影响： CO 2 是促进呼吸的生理性刺激，是调节呼吸运动的最重要体液因素。

CO 2 主要通过中枢化学感受器对呼吸运动起调节作用。

临床上给病人输氧时，往往采用含 5%的 CO 2 混合气体，以达到刺激呼吸中枢的目的，但 CO 2 浓度过高会对中枢神经系统产生毒性作用。

② 缺氧对呼吸的影响：缺氧对呼吸的影响是通过外周化学感受器（主动脉体和颈动脉体）而实现。

缺氧对呼吸中枢的直接作用是抑制，但在外周化学元素器存在的情况下，能随缺氧程度的增加发放更多的冲动，推动并维持呼吸中枢的兴奋活动，因此，缺氧时外周化学感受器引起的呼吸反射，是机体一种重要的保护机制。

③ 氢离子对呼吸的影响：H +是外周化学感受器的有效刺激物。

用酸性溶液灌流颈动脉体，可反射性引起呼吸加强，通气量增大；相反，碱性溶液灌流则抑制呼吸。

在以上三个因素中，保持其中两个不变，只改变其中一个因素，则缺氧对呼吸的影响最小，CO 2 作用最大；在多种因素变化的条件下，在同一时间里对呼吸的影响是复杂的。

解题示例
例 1 （1）设某人的肺通气量为 7500 毫升/分，呼吸频率为 20 次/分钟，无效腔容量为 125 毫升，每分输出量为 5 升，则该人的通气/血流比值应是多少？（ ）
A ．0.8
B ．0.9
C ．1.0
D ．1.1
（2）若在正常情况下，某人的无效腔容量加倍时，则他的肺通气/血流比值与正常比较，将发生什么变化？（ ）
A ．减小，但不到一半
B ．增大，但不到加倍
C ．减半
D ．不变
分析和解 （1）因为每分肺通气量=潮气量×呼吸频率，则潮气量=肺通气量/呼吸频率，又因为肺泡通气量=（潮气量—无效腔气量）×呼吸频率，所以，
通气/血流=
，则该人的通气/血流比值为： 心输出量
20 次/min 通气/血流 20 次/min 5000ml/min =1.0
（2）在正常情况下，潮气量为500ml，呼吸频率为12 次min，解剖无效腔为150ml，肺泡通气量为（500—150）×12= 4200（ml/min），心输出量为每分钟5 升，通气/血流比值为0.84；当无效腔容量加倍至300ml 时，则肺泡通气量为2400ml，通气/血流比值为2400/5000=0.48，比值减小，但不到减半。

答案：（1）C （2）A。

例2．动物细胞中可能发生下列反应：
⑴葡萄糖→丙酮酸⑵丙酮酸→乳酸⑶乳酸→丙酮酸
在只有NAD+（或NADP+）存在时，上述反应中能发生的是哪一个或哪几个？
A．只有反应⑵B．只有反应⑶
C．只有反应⑴和⑵D．只有反应⑴和⑶
分析和解上述三个反应中，反应⑵是还原反应，⑴和⑶都是氧化反应。

氧化反应（脱氢作用）需AND+或ANDP+，还原反应（加氢作用）则需要NADH 或NADPH，所以答案D 正确。

例3．图8 是某一动物的氧解离曲线。

这种动物的肺泡
里
现有的O2压强是110mmHg，CO2压强是40mmHg;组织内的
O2压强是30mmHg，CO2压强是80mmHg。

请据图回答下列问题：
（1）在肺泡里的O2的结合率是。

（2）在组织里的O2的结合率是。

（3）在组织里的O2的解离率是。

（4）如果在组织里的CO2压强与肺泡里的压强相等，
则O2的解离率是。

分析和解氧—血红蛋白离解曲线表示在不同氧分压下氧图8
与血红蛋白结合的氧饱和度，影响此离解曲线的因素，主要是氧分压，另外，血液的PH 值和温度也有关（图9）。

当氧气的分压是
110mmHg，CO2压强是40mmHg
时，从图8 曲线可知，氧气的结
合率是100%；而当氧分压是
30mmHg，CO2压强是80mmHg
时，其结合率为20%；所以，组
织中O2的解离率=100%-20%=80%；
而若氧分压是30mmHg，CO2压
强是40mmHg 时，氧气的结合率
是50%，则O2的解离率=100%-
图9 温度和PH 值对氧—血红蛋白离解曲线的影响50%=50%。

答案：（1）
100%；（2）20%；（3）80%；（4）50%。

竞赛训练
1．不靠血液把氧气运往全身各处的动物有
①水螅②涡虫③蚯蚓④蝗虫⑤河蚌⑥鱼
A．①⑤⑥B．②③⑥C．①②④D．②⑤④
2．关于双重呼吸的叙述不正确的是
A．双重呼吸提高了气体交换效率B．每呼吸一次空气两次经过肺
C ．肺和气囊是进行气体交换的场所
D ．双重呼吸是鸟类特有的呼吸方式
3．吸气时，肺泡扩张，气体自外界进入肺内，这个过程扩张是
A ．主动的
B ．被动的
C ．深呼吸时是主动的
D ．先是被动的，后是主动的
4．当平静吸气刚刚停止的瞬间，肺内压和肺内气体
A ．高于大气压，混合气体
B ．等于大气压，混合气体
C ．等于大气压，新鲜气体
D ．低于大气压，新鲜气体
5．当一次深呼吸后，会出现呼吸短时暂停的现象，这是因为
A ．CO 2 少
B ．O 2 多
C ．CO 2 多
D ．O 2 少
6．下列哪种情况下呼吸最快
A ．血液中氧浓度高
B ．血液中氧浓度低
C ．血液中二氧化碳浓度高
D ．血液中二氧化碳浓度低
7．人的肺泡中 O 2 浓度与外界空气中 O 2 浓度相比
A ．始终高些
B ．始终低些
C ．时高时低
D ．一样高低
8．人体平静呼吸时，呼出的气体中含量最多的是
A ．二氧化碳
B ．氧气
C ．氮气
D ．水蒸气
9．如果一个人吸入少量的一氧化碳，他就可能中毒，因为
A ．一氧化碳溶解肺的纤维细胞组织
B ．一氧化碳与血红蛋白结合比氧容易得多
C ．一氧化碳降低肺活量
D ．一氧化碳过度地刺激心脏
10．鸟类呼吸时气体交换的真正部位是
A ．背支气管
B ．腹支气管
C ．微气管
D 11．图 10 是血液中血红蛋白与氧结合情况和血液中 CO 2 含量情况的曲线图，则该图所表示的是 S P A ．左心室 右心室 B ．毛细血管 肺静脉 C ．肺动脉 肺静脉 D ．肺动脉 主动脉 12．一定范围内 P CO2 增高，使呼吸运动增强，主要是通过
图 10
A ．刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器
B ．刺激中枢化学感受器
C ．直接兴奋延髓呼吸中枢
D ．直接兴奋脑桥呼吸调整中枢
13．某受试者，解剖无效腔 150ml ,平静呼吸时频率为 12 次/min ，呼出量为 500ml 。

最大吸
气后用力呼气，呼出气量 4000ml ，则下列哪项是错误的
A ．其潮气量为 500ml
B ．其肺活量为 4000ml
C ．其肺通气量为 6000ml
D ．其肺泡通气量为 5000ml/min
14．人在剧烈运动时，呼吸加快，引起细胞的直接反应是
A ．线粒体 ATP 合成酶（基粒）活化，合成更多的 ATP
B ．乳酸大量生成
C ．蛋白质分解增加
D ．线粒体呼吸链电子传递加速
15．在麻醉兔的实验中，下列操作哪一项可以使兔的呼吸停止
A ．切断两侧的迷走神经
B ．在上下丘脑之间横切脑干
C ．暂时性阻塞气管造成窒息
D ．切除大脑皮层
E ．刺激迷走神经中枢 端
16．呼吸衰竭时对机体最大威胁是
A．CO2滞留B．酸中毒C．碱中毒
D．缺CO2E．以上都不对
17．下列有关人体呼吸作用的叙述中，正确的是
①心脏有一群神经细胞，能调节呼吸运动，组成呼吸中枢②血液中二氧化碳含量增高
会使呼吸加快③血红蛋白可运送氧气和部分二氧化碳④大部分二氧化碳无需酶的催化即可快速溶于血浆中、与水形成碳酸⑤血红蛋白与氧气的结合量因登高而减少
A．①③⑤B．②④⑤C．①②④D．②③⑤
18．哺乳动物后生腭的出现，解决了
A．吞咽和呼吸的矛盾B．双重呼吸问题
C．嗅觉和呼吸的矛盾D．咀嚼和呼吸的矛盾
19．有关鸟类鸣管发声的叙述哪种是正确的
A．只在呼吸时发声B．只在吸气时发声
C．呼气和吸气时都发声D．发声与呼吸没有关系
20．尼古丁是一种毒性很强的物质，吸烟后，可引起吸烟者
A．心跳加快B．呼吸减慢C．手指、脚趾温度降低
D．A+B E．A+C
21．下列哪项是移居在高原环境生活的人所产生的生理性适应：
①增加造血功能，以维持其红细胞数目较多的水平
②组织细胞往往通过无氧呼吸来获得能量
③呼吸强度增强，通气量增强，肺活量提高
④提高心跳频率，加速血液循环以增加运输O2的能力。

A．①②B．①③C．②③D．③④
22．肺泡内的氧气进入肺泡周围毛细血管中，与血红蛋白结合生成氧合血红蛋白，此过程中要通过几层细胞膜？
A．二层B．三层C．四层D．五层
23．为了判断一个死亡的弃婴是产前死亡还是产后死亡，法医将死婴的肺剪一块投入水中，如果是产后死亡，则其表现为：
A．沉入水底B．先沉后浮C．浮在水面D．上下浮动
24．有关胸膜腔内压的叙述，错误的是
A．通常较大气压低B．胸膜腔内压= -肺回缩力
C．吸气时负值减小，呼气时负值增大D．胸膜腔负压有利于静脉血液回流
25．最基本的呼吸中枢的所在部位是
A．脑桥B．大脑皮层C．脊髓D．延髓
26．在人体的器官中，对吸入空气中带入的粉尘具有清除作用的是（多选）A．鼻腔B．喉C．气管D．支气管E．肺
27．肺的回缩力来自（多选）
A．胸内负压B．肺泡表面张力C．肺的弹力纤维D．肺泡表面活性物质
28．关于肺泡表面活性物质的叙述，正确的是（多选）
A．由肺泡上皮的II 型细胞分泌B．有增加肺泡表面张力的作用
C．能维持大、小肺泡容量的相对稳定D．阻止肺泡毛细血管中液体向肺泡内滤出29．关于H+对呼吸的影响，正确的是（多选）
A．动脉血中H+增加，呼吸加强
B．血中H+主要刺激中枢化学感受器，使呼吸加强
C．血中H+主要刺激外周化学感受器，使呼吸加强
D．脑脊液中的H+是中枢化学感受器的最有效刺激
30．请将下列生物所对应的呼吸器官的字母填空：
①中国鳖（）②河蚌（）③蝗虫（）④爬行动物（）⑤鸟类（）
⑥哺乳类（）⑦海参（）⑧蜻蜒若虫（）⑨两栖动物（）
A 鳃
B 书鳃
C 囊状肺
D 气管
F 海绵状气管肺
G 呼吸树
H 海绵状泡状肺E 多隔囊状肺
I 直肠鳃
31．图11 是肺泡通气与血流量的关系图，据图回答：
⑴A 端应是，里面流的是；
B 端应是
，里面流的是。

⑵肺泡处气体交换的原理是。

⑶O2进入血液后，大部分进入红细胞，
以的形式运输；
CO2进入血液后，大部分以的形式运输。

B
图11 肺泡通气与血流量关系图
32．图13 中甲、乙两图分别表示肺换气和组织换气，PO2和PCO2分别代表O2和CO2的分压，后面括号中的数值单位是千帕（kP a．，请据图回答：
（1）组织换气和肺换气是通过来实现的。

（2）根据气体分压值的变化，可判定甲图中血流方向是由；
乙图中血流方向是。

（3）甲图肺泡中O2的分压值，可判断为千帕。

图13 甲.肺换气；乙组织换气
参考答案：
1.C
2.C
3.B
4.B
5.B
6.C
7.B
8.C
9.B 10.C 11.A 12.B 13.D 14.D 15.C 16.E 17.B 18.D 19.C
20.A 21.B 22.D 23.C 24.C 25.D 26.ACDE 27.BC 28.ACD 29.ACD 30.①B ②A ③D ④E ⑤F
⑥H ⑦G ⑧I ⑨C 31.⑴A 端是肺动脉,内流静脉血;B 端是肺静脉,内流动脉血⑵扩散作用⑶氧合血红蛋白,碳酸氢盐. 32.⑴扩散作用⑵A—B，D—C ⑶大于13.33.。