二、呼吸和血

高等动物和人的吸入氧和排出二氧化碳的过程往往被分成两部分：外呼吸和内呼吸。

外呼吸是在气体交换器官（如鳃、肺）中毛细血管内的血液与外界环境（如水、肺泡中的气体）之间交换气体的过程，即从外界环境中吸入氧，向外界环境排出二氧化碳的过程。这已经在“呼吸器官”的进化中讲过了。

内呼吸是在组织（如肌肉组织，神经组织）中，毛细血管内的血液通过组织液（位于组织细胞之间的液体）与细胞交换气体的过程。即向细胞供氧，从细胞吸收二氧化碳的过程。

无论外呼吸或内呼吸，只要进行气体交换，道理都是一样的：一是氧或二氧化碳分子，都是从多的一方（单位容积中）向少的一方（单位容积中）透过膜（如薄薄的鳃板、肺泡壁、毛细血管壁、组织细胞的膜）扩散。二是都涉及到毛细血管和血的参与。举个生活中的小例子，就可知道这是多么重要。

如果不小心割破了手指而流血不止，可以在伤口的上方部位进行结扎，限止血往伤口处流，使伤口处得以消毒、包扎和血液凝结。但一待伤口处不再流血，就要尽快松开伤口上方的结扎，使血流通畅，经毛细血管运送去氧气，和带走二氧化碳，以保证细胞的呼吸。若不这样，组织就会坏死。

因此，对于毛细血管和血在呼吸中扮演的角色，要有一定了解。

1．人体最大的器官

——毛细血管网

如果问你人体最大的器官是什么？你大概不会相信，竟然是毛细血管网。

缩环系统是由心脏、动脉血管、静脉血管和毛细血管这些器官所组成。动脉血管可以一分再分，成为最小的微动脉，静脉血管最小的叫微静脉，毛细血管就介于微动脉和微静脉之间，交织如网。

每一根毛细血管并不长，只有1毫米左右，直径很细，为3～10微米，刚刚能使红细胞通过。它遍布全身，伸入每个器官和组织，形成一个非常庞大的毛细血管网。有人估算，人体的毛细血管，一条条加起来，总长约有96000公里，所以说它是人体最大的器官。

由于它无处不在，所以最常见的出血，如皮肤擦伤出血，皮肤撞击留下的青紫色淤斑、鼻粘膜出血、牙龈流血等都是毛细血管破裂出血。

毛细血管分布之广、之密，使得体内的任何细胞与毛细血管的距离都不超过25微米，相距很近。在鳃内、肺泡周边，或在身体的其他组织内，保持这样紧密的距离是物质交换，包括呼吸中的气体交换的前提。

用动物作材料，很容易在显微镜下，看清楚毛细血管。例如用蛙作材料，先用乙醚麻醉，放在有一圆形小孔的木板或低板上，剖开体腔一小部分，把蛙的囊状肺置于小孔位置，整个木板放在显微镜的载物台上，小孔正对载物台的通光孔，就可以观察了。同样的办法，可用来观察蛙肠系膜（肠和肠之间的薄膜）或小金鱼的尾鳍上的毛细血管。在肺囊看到的毛细血管，就是用于外呼吸的毛细血管网；在肠系膜或尾鳍看到的毛细血管，就是用于内呼吸的毛细血管网。所以外呼吸、内呼吸都离不开它。

注意，在显微镜下，还能看见微小的动脉和静脉。毛细血管和它们的区别是，只容许一个个红细胞以“一路纵队”通过，而且通过的速度很慢，也就是血流速度很慢。据测定，大约是0.07厘米／秒。为什么流得那么慢，形象地讲，就好像一条大江，一而再，再而三地分支下去变成了无数的小河沟，这些小河沟的总截面积比大江的截面积大多了，同样力量的水流也就变慢了（如果没有落差的话）。毛细血管里缓慢流动的血流，正好给了物质交换，包括气体交换留下了充裕的时间。

还有，毛细血管的管壁是极薄的，只有一层扁平的上皮细胞（或称内皮细胞），有时候细胞之间还不连续，存在空隙。有的细胞上有小孔，这就方便许多物质的分子、离子通过，当然包括氧和二氧化碳这样的气体分子。

毛细血管，分布广、与细胞距离近、血流慢、管壁薄，这些特点在呼吸器官中有利外呼吸的气体交换，在组织细胞间有利于内呼吸的气体交换。

这是就呼吸而言，动物体和人体内的其他物质交换，如营养的吸收，营养物质的输送，代谢废物的滤出等也要依赖毛细血管网。另外值得一提的是，从微动脉经毛细血管网到微静脉的血液流动，称为微循环。微循环的障碍是许多疾病的原因和组织、器官衰老的原因，所以目前成了一个专门的研究门类。

2．奇妙的呼吸色素

动脉、静脉、毛细血管里流动着血。动脉和静脉，与毛细血管一样，都是指的血管，是对血管的称呼。动脉里的血流方向是离开心脏，流向身体各处，静脉里的血流方向是从身体各处流回心脏。

动脉血、静脉血，是指的不同成分的血。富含氧气的血，颜色鲜红，称为动脉血。以鸟类、哺乳类和人类来说，从肺静脉（从肺交换气体后回心脏）开始，入左心房、左心室，再压入体大动脉，几经分支一直到微动脉，其中流动的都是含氧丰富的动脉血。静脉血是指缺乏氧气，颜色暗红的血。这些血从微静脉开始，逐渐归并成小静脉，大的静脉，回到右心房、右心室，再压入肺动脉，其中流的都是缺氧的静脉血。所以肺静脉中为动脉血，肺动脉中为静脉血。

或者说：在肺部进行外呼吸，气体交换后，流来的静脉血变成了动脉血；

在身体各组织进行内呼吸，气体交换后，流出的血又变成了静脉血。

人的1升动脉血约含200毫升氧。这些氧如仅溶解在血浆中，则正常气压和37℃温度下，1升血液只能溶解3毫升氧，200毫升-3毫升=197毫升。这197毫升怎样存在于血液中呢？

全靠与红细胞中的血红蛋白分子形成化学结。如果比喻红细胞是运送氧气的货轮，那么血红蛋白分子就是盛氧的集装箱。

血红蛋白分子与氧结合后，颜色鲜红，称为氧合血红蛋白，这就是动脉血颜色鲜红的缘故。与氧分离后，称为脱氧血红蛋白，颜色暗红，这就是静脉血颜色发暗紫的原因（见图5—8）。

血红蛋白就是动物界的奇妙的呼吸色素之一。全部脊椎动物和一些种类的无脊椎动物（如蚯蚓）都依靠血红蛋白来运送氧气。

分子生物学的进展，已经对这奇妙的分子了解清楚了。原来它是一个珠蛋白分子结合四个血红素构成的，分子量为64000～67000。珠蛋白有四条多肽链，两条称为a链，各含141个氨基酸；两条ß 链，各含146个氨基酸。141×2+146×2=574个氨基酸。每条链各含一个血红素，每一个血红素中心有一个亚铁离子，一个亚铁离子能结合一个氧分子，这样共可携带4个氧分子。红细胞中的许许多多血红蛋白分子就这样来运送氧，在氧丰富的肺部（或鳃部）毛细血管，就快速地“装满”氧分子。到达身体其他组织间的毛细血管后，由于组织间的氧分子少（缺氧），“装满”的氧就卸下来（多氧处向少氧处扩散）供应用。

如此看来，血红蛋白当然是多些好，少了就贫血，应该补充含蛋白质和铁的食物。人是这样，动物饲养也是这样。正常人每100毫升血中约含15克血红蛋白，每克血红蛋白可结合1.34～1.36毫升的氧，当然要看环境中的氧的多少了。在森林、海边这些空气清洁，含氧多的地方，血红蛋白就“吃得饱”，人们也因供氧良好而精神清爽，精力充沛。在通风不良的房内，污浊的城市空气中，血红蛋白就“挨饿”。人们因供氧不好而头昏脑胀，工作、学习效率降低。如果环境中有一氧化碳，如火炉通风不好，汽车排出的废气，吸烟时的烟雾等，都有一氧化碳。一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧大200倍，血红蛋白大量地和一氧化碳结合，就会使人体内部严重缺氧，这就是可怕的煤气中毒（一氧化碳中毒）。

血红蛋白是如此重要，所以在脊椎动物的进化中，承载血红蛋白的红细胞的形态也发生变化。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类的成熟红细胞都有核。到了哺乳类、人类成熟红细胞已经没有核，它可以腾出地方装更多的血红蛋白。而且越是高等的动物，红细胞的体积变小，这样许许多多红细胞其总面积就增大了。人的红细胞还是盘子状的，边缘厚（凸），中央薄（凹），比平面的表面积大，而且竖起来（侧过来），薄薄的，便于穿过毛细血管的管腔。

奇妙的呼吸色素，在动物界不只血红蛋白一种，还有血褐蛋白，血绿蛋白、血蓝蛋白。例如软体动物和节肢动物就是血液中含血蓝蛋白，是一种含铜的呼吸色素，也能与氧结合和分离来运送氧气，和氧结合后是淡蓝色的，而脱氧后是无色的。这就是在贝类或昆虫、虾蟹中从未见流鲜红的血的原因。它们是有血的，是血蓝蛋白，而且并不包在血细胞内，而是悬浮在血液中，运送氧的能力也就差些了。