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肺腑之言(1) 精选

已有 6852 次阅读 2007-6-1 12:02 |个人分类:系列散文:器官自然史|系统分类:科普集锦

五脏列传 之肺腑之言(1)

        谁负责排泄?请出列!肾脏、膀胱应声而出;皮肤松松垮垮地站出来,它仗着最大的排泄器官,吊儿郎当,其实只是一个小“流”氓。全场目光聚焦在大肠,众人皆认为这个每天排出超过一斤粪便的器官,是当然之选。可是无论千呼万唤,大肠就是巍然不动,反倒是坐在二楼的肺脏忍不住了,唰地起立,将众人吓了一跳。

        真是过分,这个与心脏比邻而居,和口腔沆瀣一气的肺脏,居然忝居排泄器官之列?这是我等无法忍受的。还好,肺脏中气十足,并且牢牢控制着喉舌,且让它在这舆论高地上大声陈述理由吧。

        既然肺脏自命不凡,那我们就先来了解一下恬不知耻的它到底是何方神圣。和其它器官相比,肺的历史短暂,只比脖子快半拍。作为小后生,竭力吸引注意力确实情有可原,但是注意力缺乏不能成为和膀胱勾肩搭背的理由,它必须另有交待。

        肺脏的肤浅资历,是从鱼类开始的。2亿多年前,肺鱼的鳔开始初步具备肺脏的功能。作为鱼类,呼吸本来是由鳃进行的,但鳔的兼职行为完全是环境所迫,不能怪它擅自僭越。随着气候日益干燥,肺鱼栖息的水域开始周期性干涸。没有了水的浮力,鱼鳃就像干枯的毛笔,粘成一团,根本无法进行正常的气体交换。这时,原本偏安一隅的鳔挺身而出,承担起从空气中攫取氧气和呼出二氧化碳的重任。和肺鱼拥有同样功能的肺的鱼类还有多鳍鱼和雀鳝等,可想而知,它们也会遭受不期而遇的大旱。

        不管是结构还是功能,此时的鳔俨然已经有了肺的影子。多数鱼类只在食道背侧有一个鳔;肺鱼的鳔则有两个,分列腹侧。鳔的本职工作是通过调节内部的气体容积来改变比重,从而让鱼体停留在特定的水层。鲤鱼鳔内的空气通过鳔管进出,鲈鱼的鳔则是一密封气罐,虽然没有鳔管,但下有红腺、上有卵圆窗。这两个区域内满布微血管,气体从红腺跑到鳔内,再从卵圆窗渗回去。从上皮细胞中挤进挤出,气体分子累得够呛。

(图1:这是鲑鱼的鳔,旁边就是制作鱼子酱的原料。当它还是幼苗时,第一次浮游使鳔首次充满空气。)

        千万别小看这两块红斑,在以后的进化中,微血管会逐渐扩大地盘,直到遍布整个鳔体。鳔体再逐渐分化、内凸,形成越来越多的气囊,哺乳动物的海绵状肺开始登场。

        进化是一个漫长的过程,那我们就趁这段时间,让肺来陈述它的理由吧,到底是什么原因,使它甘与膀胱为伍?从鳔进化到肺,功能发生了翻天覆地的变化,之前只是用于调节浮力,现在却摇身一变,成为身体的后勤大管家。

        所有的生命活动都需要能量供应,可细胞毫无眼光,它们只认现钞--ATP,从不接受黄金和支票。可细胞内常见的能量储备偏偏是不能利用的糖分,要想将糖分兑现成ATP,必须经历燃烧。比起普罗米修斯的炼狱过程,细胞内的氧化显得温和缓慢得多。糖分在氧气的搀和下,变身为二氧化碳和水,把储存在糖分中的能量释放出来,生成在生命体内通达天下的ATP。整个氧气供应和二氧化碳排放的过程中,肺部起着不可替代的作用。

        气体分子从肺部的上皮细胞间穿进穿出,是一个艰苦的过程。为了驱赶气体完成穿越苦役,必须采取高压政策。从肺动脉进入肺部的静脉血中充满了细胞代谢的废物--二氧化碳,此时正是吸气终了,血管内的二氧化碳分压(气体的分压,是个很复杂的概念,可以简单地理解为浓度)比肺内空气的高,这种压力差逼着二氧化碳从血管中跑到肺内。同理,肺内氧气被压力驱使进入血管,使静脉血摇身一变,成为鲜红的动脉血。

(图2:肺部气道不断分支,直至在末端形成肺泡。)

        身体的吐故纳新全耐肺脏,这种繁重的工作除了需要高压的鞭策力,还必须有充分的空间供气体分子出入血管。所以肺脏一在地球上出现,就竭力把自己做大做强。哺乳动物的肺的体积占据身体总体积的6%;上到咽喉,下至膈肌。即便如此,肺脏也是屠场营收最少的器官之一,部分原因是它实在太轻:50千克的哺乳动物,其肺脏极少有超过1千克的。至于另一原因,容后再述。

        “外竖形象”固然重要,“内强素质”也不可放松。肺脏除了拥有庞大的体积,还竭力在内部发展出尽可能多的面积。完整的肺脏从无尾两栖动物身上首次登场开始,就一直朝着柔软多腔的方向发展。不过多数冷血动物对氧气的需求较低,比如人称能源之星的蛇类,它们的右侧肺脏退化,只留左肺,却也活得逍遥自在,毫不气短。到了哺乳动物阶段,机体对氧气的需求大增,于是多数都有两个肺,左右各一。鸟类的飞行生活对能量的需求旺盛,它们拥有的涡轮发动机对氧气总是孜孜以求。孤军作战的肺脏根本不能满足需求,所以它们发展出了若干气囊以协助呼吸。

(图3:鸟类的气囊可以临时存储空气,呼吸过程中,空气两次经过肺脏,从而获得更多的氧气。图示乳胶填充的鸭的标本和示意图。)

        除了体积和数量,肺泡膜才是气体交换的真正场地,其面积的大小,大致反映了机体对氧气的需求大小。比如蛙的1克肺组织大约有20平方厘米的膜面积,小鼠的比例则大于800。恒温动物为了维持体温恒定,需要较高的代谢速率,需氧量自然增加。

        气管送进来的空气进入末端的小腔室中,腔壁上布满毛细血管,我们称之为肺泡。初生儿的肺泡约有2400万个,成人则多达4亿,如此多的海绵空隙,使得肺脏在有限的空间内,为空气交换提供了“无限”的面积。比如人体中,肺脏只有3升不到的容积,但可以提供超过30000平方厘米的表面积。

        即便容积极其有限,很多时候还是派不上用场。成年男子平静呼吸时的气量(名曰潮气量)只有500毫升,仅仅是肺活量的10%。平静吸气时,吸入的空气有130毫升停留在气道内,实际上只有370到毫升达肺泡交换气体。这区区300多毫升的新鲜空气又与前次呼气不能被呼出的2100毫升气体相混合。如此一来,每次呼吸实际上只更新了肺泡内气体的1/6。

        现在我们应该认识到哈欠的重要性了。只有通过哈欠等深呼吸运动,肺泡内的残存空气才被充分呼出。要知道,在平静呼吸的肺泡中,二氧化碳的含量维持在5%左右,足足比空气中的浓度高出4倍!所以,哈欠过后,精神倍棒,也就可以理解了。人体在深呼吸后,可以在短时间内获得充分的氧气,为大脑提供能量。

        深呼吸的气量称为肺活量。肺活量的测量和别的测量有所差异,值得罗嗦。多数的生理生化指标都必须取多次测量的平均值,以尽可能降低误差的影响。但肺活量需要的是一个最高值,就像体育纪录一般,最高者永垂青史,哪怕该纪录的创造者再也不能重演。那么,请读者动动脑筋,这种测量如何尽量减小误差?

        肺的不尽心工作,引发的结果出人意料:肺泡内的气体组成大致恒定,15%的氧和5%的二氧化碳,余下的八成大部分都是氮气。绕过这些数据,简而言之,肺泡内的环境比污染最重的空气都要糟糕。山西的官员们可以捧着这个结论欢呼雀跃了,因为他们现在就可以据此理论,去领取超过200万的个人奖金。公务员拿民众的税收治理公务员自己也要呼吸的空气,空气如有好转,还可以从民众税贡中抽取百万奖金揽入个人腰包,确实是个不错的办法。这种政治智慧,比起我的诡辩术,要高明不少。

        有民众反驳,说污染空气中含有过多的烟尘毒气,肺泡内的低氧高二氧化碳可没这么大危害。我们姑且承认污染空气中含有烟尘毒气,可肺泡内的氮气可也是有害气体呀。分压较高时,氮气也会从肺泡进入血管中,溶解于血液,分压降低时再度释放出来。这种情况在深海潜水中经常发生,上潜太快会导致原本溶解于血液的氮气变身气泡释放出来,造成严重后果。有鉴于此,美国海军规定上浮速度应低于每分钟9米,并且在浮出水面前,必须在五米水深处停留3-5分钟,以使氮气慢慢释放到肺部。原来的安全规定,上浮速度应该小于每分钟18米。

        看来,氮气确实很恐怖,甚至会导致即时死人。与此相比,污染空气中的组分可要温柔得多,也没这么明目张胆。所以,尊敬的领导们,请不要理会那些不明就里的民众,尽管开着公车(不可能是公交车,因为公交车上没有空调)去领钱吧。

        有人要问,你为何要说“姑且承认污染空气中有毒气”中的姑且二字,尔定有反意。那可实在对不起了,那我姑且把“姑且”算作我的口头禅吧。空气中真的有有毒成分吗?烟尘超标吗?可吸入颗粒超标吗?今年有酸雨几场?空气质量真有好转?那些愚昧的民众说了不算,必须拿出数据来。哈哈哈,一说到统计数据,我就只打哈哈。



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