循环与呼吸
动物如何获取氧气和排出二氧化碳，以及泵和血管如何将这些物质和其他物质输送到全身以满足代谢需求。
Definition
生理学意义上的呼吸是指动物与其环境之间氧气和二氧化碳的交换，以及它们向组织和从组织的运输；循环是指通过泵和血管系统进行的血液或血淋巴的大量运动，将气体、营养物质、废物、激素和热量输送到全身。
Scope
本领域涵盖气体交换和内部运输的比较生理学：呼吸表面，如鳃、肺和气管；呼吸色素对氧气的结合和运输；心脏和循环系统的结构与功能；以及呼吸和血气（包括酸碱平衡）的调节。它涉及扩散和对流的物理原理，以及动物在水生、空中和陆地生活中演化出的多样化解决方案。内容侧重于比较和机制，而非临床。
Sub-topics
Core questions
- 呼吸表面如何最大限度地提高水和空气等不同介质中的气体交换？
- 呼吸色素如何在氧气充足的地方结合氧气，并在需要的地方释放氧气？
- 循环系统和心脏如何组织以有效移动不同大小和生活方式动物的血液？
- 动物如何感知和调节其血气并维持酸碱平衡？
Key theories
- 氧气的协同结合与S形解离曲线
- 血红蛋白等呼吸色素协同结合氧气，形成S形解离曲线，促进在呼吸表面高效装载氧气，并在活跃组织中释放氧气，曲线的位置受二氧化碳、pH值和温度的影响而移动。
- 气体运输的对流-扩散设计
- 有效气体交换结合了介质和血液向薄呼吸表面和从薄呼吸表面的对流输送以及跨越其的扩散，而鳃中的逆流等安排最大限度地增加了驱动扩散的梯度。
Mechanisms
气体交换依赖于跨越薄而大面积的呼吸表面的扩散，这些表面通过外部介质的通气和血液的灌注来维持供应。鱼鳃利用水和血液的逆流来保持高扩散梯度；肺利用潮汐式或（在鸟类中）单向流动；昆虫通过气管直接将氧气输送到组织。氧气主要通过与呼吸色素结合来运输，呼吸色素的协同结合以及对二氧化碳、pH值和温度的敏感性调节着氧气的装载和释放。心脏产生压力以驱动血液流经开放或封闭循环系统，血管阻力和容量则分配血流。呼吸和循环受监测氧气、二氧化碳和pH值的化学感受器调节，以调整通气和心输出量，同时缓冲和离子交换维持酸碱平衡。
Clinical relevance
对潜水哺乳动物、高海拔物种和空气呼吸鱼类的比较研究阐明了人类心肺功能的极限，并为缺氧、运动以及呼吸和心血管功能的研究提供了信息。本条目旨在教育，不提供医疗指导。
History
奥古斯特·克罗格（August Krogh）对毛细血管功能和气体交换的研究，以及克里斯蒂安·玻尔（Christian Bohr）对二氧化碳影响氧气结合的发现，奠定了呼吸生理学的基础。施密特-尼尔森（Schmidt-Nielsen）等人将该领域扩展到沙漠、潜水和高海拔动物的显著适应性，将循环和呼吸视为物理约束下的设计问题。
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- 为什么逆流在鱼鳃中很重要？
- 水和血液沿相反方向流动，使整个鳃表面保持氧气梯度，因此血液可以比两者同向流动时吸收更多的氧气。
- 是什么使氧离曲线呈S形？
- 血红蛋白协同结合氧气，因此结合一个氧气会使下一个结合更容易；这会产生一个S形曲线，有利于在肺部或鳃部完全装载，并在活跃组织中迅速释放。