生物的運輸作用 (Transport in Organisms) 複細胞生物對運輸系統的需要 生物的集體流動系統 哺乳類動物的循環系統

複細胞生物對運輸系統的需要 (Need for transport system in multicellular organism) 簡單及細小的生物 / 單細胞生物 - 其體積十分細小 --> 表面面積與體積的比例大，體內細胞 與外界距離近 --> 物質藉擴散作用迅速進出體表，進行 物質交換  無需運輸系統在體內將物質運送

- 物質交換的機制 : 1) 被動過程 / 物理作用 (passive / physical process) - 擴散作用 (氧、二氧化碳、營養素等) - 滲透作用 ( 水份 ) 2) 主動過程 (active process) - 主動運輸 - 胞吞、胞吐

體積大而構造複雜的複細胞生物 - 其體積十分龐大 --> 表面面積與體積的比例小，體內細胞 與外界距離增加 --> 物質不能藉擴散作用進出體表，並擴 散至所有細胞 --> 需要一特化的運輸系統，以長途及快 速的方法，在體內將物質運送 運輸作用 (Transport) - 將物質在體內運送的過程

物質在複細胞生物內運輸的機制 : 集體流動 (Mass flow) - 物質以溶解或懸浮的狀態在體內運輸 - 集體流動 - 相同速度 - 動力 : 兩地點間的壓力差 / 濃度差

生物的集體流動系統 (Mass flow system or organism) 維管植物: 維管系統 (木質部、韌皮部) 木質部 - 運輸水份及礦物鹽離子 - 動力: 蒸騰牽引力、根壓 韌皮部 - 運輸有機養料 (主要為蔗糖) - 動力: 機制未明，需耗用能量

動物: 消化系統 - 運輸食物及水份 - 動力: 消化道壁的蠕動 呼吸系統 - 運輸氣體 - 動力: 呼吸肌肉 血管系統 - 運輸血液 - 動力: 血管/心肌的收縮 淋巴系統 - 運輸淋巴液 - 動力: 骨骼肌的活動

哺乳類動物的循環系統 (The circulatory system in mammals) 一般特徵及結構 血液及血管 血液循環 心臟 組織的物質交換 淋巴系統

一般特徵及結構 (General characteristics & structure) 動物的循環系統具有以下相同的特徵 : 1. 有一流體組織 - 血液 2. 具有伸縮性的構造 --> 擠壓血液 通常是一特化的血管 / 心臟 3. 可予血液流經 / 循環的管道 - 血管

哺乳類動物的循環系統的組成部份 : 1. 血管 (blood vessels) --> 形成一網路 --> 使血液在管道內流動 2. 血液 (blood) - 攜載物質，促進物質在體內循環運輸 3. 心臟 (heart) - ~ 泵 --> 收縮 --> 產生動力 --> 推動血液在血管內流動

血液 (Blood) 是一活流體組織 亦是一混合液 人體內約有 5 L 血液 成份 : 1) 血細胞 ( 佔 45% 血液體積 ) 懸浮在血漿中 2) 血漿 ( 佔 55% 血液體積 )

血漿的成份 (Composition of blood plasma) 特徵 : 為一液體、呈淡黃色、鹼性 成份 : 1) 主要 - 水份 ( 90% ) 2) 其他物質 ( 10% ) - 包括 : 蛋白質、 礦物鹽離子、消化產物、營養素、 排泄廢物、激素等 有些物質在血液中常維持穩定的濃度、有些卻不

(1) 水份 (Water) - 90% 功用 : 1. 淋巴液的主要成份 2. 提供水份予組織細胞 3. 運送溶解物至全身 1. 淋巴液的主要成份 2. 提供水份予組織細胞 3. 運送溶解物至全身 4. 協助保持血壓及血量

(2) 血蛋白 (Plasma proteins) - 7% 種類 : 1. 血清蛋白 (serum albumins) - 非常大量 - 功用 : a) 吸附血漿內的鈣質 b) 保持血液的滲透潛能

2. 血清球蛋白 (serum globulins) - 種類 : a)  - : 吸附血液中的甲狀腺素、膽紅素 b)  - : 吸附鐵質、膽固醇、維生素 A、 D、 K c)  - / 抗體 : 免疫作用 : 吸附抗原、組織胺

3. 凝血酵素原 (prothrombin) - 活化成凝血酵素 : 是凝血過程的催化劑 - 參與凝血作用 4. 血纖維蛋白原 (fibrinogen) - 在凝血作用中活化成不溶的血纖維蛋白 5. 酵素 - 催化各種不同的代謝活動

(3) 礦物鹽 (Minerals) - 3% 包括 : Na+、K+、Mg2+、H2PO4-、HPO4-、 PO43-、Cl-、HCO3-、SO42- 功用 : a) 協助調節血液內的滲透潛能及 pH b) 對細胞產生不同的影響 如: Ca2+ - 是凝血因子 - 功用 : 負責協調肌肉的收縮 : 影響神經細胞的敏感度 : 影響細胞的形態

但有些物質在血漿中的成份卻不穩定，如 : 被生產 / 製造 / 分泌至血液中 ; : 從血液中除去 包括 : 1) 溶解後的消化產物 : 2) 溶解的排泄產物 : 3) 維生素 : 4) 激素

(1) 營養素 (Nutrients) 經吸收後存在於血液中 在血液中的濃度並不穩定 是可溶的消化後產物 包括 : a) 消化後的產物 - 葡萄糖、氨基酸、 脂肪酸、甘油、膽固醇 b) 維生素、礦物鹽、水份

(2) 可溶的排泄物 (Soluble excretory wastes) 經代謝作用產生的廢物 由血液攜載至排泄器官除去， 在血液中的濃度並不穩定 包括 : a) 含氮廢物 - 尿素、尿酸、氨，等 b) HCO3- - 二氧化碳在血液中存在的形式

(3) 激素 (Hormones) 是訊息傳遞的一種途徑 是一化學份子 : 蛋白質、或脂肪 由內分泌腺(endocrine glands)分泌，經血液運輸至不同的目標器官  在血液中的成份並不穩定

血細胞 (Blood cells) 種類 : 1) 紅血球 (red blood cells) 2) 白血球 (white blood cells) 3) 血小板 (blood platelets)

(1) 白血球 (White blood cells) 特徵 : 體積較紅血球大 : 數量較少 ( 7000 / ml 血液 ) 構造 : 有細胞核 功用 : 主要負責身體防衛 種類 : 可分為兩大類 : 1. 顆粒白血球 (72%) 2. 無顆粒白血球 (28%)

壽命 : 只有數天 製造地點 : 主要在骨髓 破壞的地點 : 1) 被細菌消滅的地方 2) 經腸道流失 3) 隨尿液流失

(i) 顆粒白血球 (Granulocytes) 生產的地點 : 主要在骨髓內 形狀 : 不規則 構造 : 細胞核呈多葉狀，顆粒狀細胞質 特徵 : 進行變形運動 --> 擠過微血管壁至組織細胞間 種類 : 可分為三種 : 1) 嗜中性細胞 (70%), 4900 / mm2 2) 嗜曙紅細胞 (1.5%), 105 / mm2 3) 嗜鹼性細胞 (0.5%), 35 / mm2

(a) 嗜中性白血球 (neutrophils) 亦俗稱為吞噬細胞 (phagocytes) 功用 : 活躍地巡察，將外物及細菌吞噬並消化 特徵 : 進行藉變形運動 (ameoboid movement) --> 擠過微血管壁 --> 進入受感染部位的組織細胞間 --> 進行吞噬作用 (phagocytosis) - 這過程稱為血細胞滲出 (diapedesis)

吞噬作用 (Phagocytosis) 主要由嗜中性細胞帶出 破損的血細胞及組織細胞 --> 釋出一些化學物質 --> 吸引嗜中性細胞 嗜中性細胞亦能辨別入侵的細菌 血漿蛋白調理素 (opsonins) 附在細菌表面，使細菌更易被辨認 肝臟、脾臟及淋巴結內有巨噬細胞 (macrophages) ，能進行吞噬作用 巨噬細胞及嗜中性細胞形成體內的網狀表皮系統 (reticulo-endothelial system)

(b) 嗜曙紅血球 (eosinophils) 數量 : 當人處於敏感時 ( 如: 哮喘 ) --> 腎上腺皮層激素刺激 --> 數量  功用 : 含有抗組織胺 (anti-histamine) 特徵 : 內有顆粒狀細胞質 --> 使曙紅染劑將細胞質染成紅色

(c) 嗜鹼性白血球 (basophils) 功用 : 1) 產生組織胺 (histamine) 2) 產生肝素 (heparin) - 是一種抗凝血劑 特徵 : 內有顆粒狀細胞質 --> 使亞甲藍染劑將細胞質染成藍色

肝素 (Heparin) 避免凝血作用發生的一種物質 在血漿中濃度很低 由結締組織、及肝臟產生 作用 : 避免凝血酵素原 --> 凝血酵素  避免血纖維原白原 --> 血纖維蛋白 在醫學上是一種抗凝血劑 (anti-coagulant)

(ii) 無顆粒白血球 (Agranulocytes) 形狀 : 規則 構造 : 細胞核呈卵狀 / 蠶豆狀 : 細胞質內無顆粒 種類 : 可分為兩種 : 1) 單核白血球 (4%), 280 / mm2 2) 淋巴球 (24%) %), 1680 / mm2

(a) 單核白血球 (monocytes) 構造 : 細胞核呈蠶豆狀 特徵 : 能藉變形運動擠過微血管壁 構造 : 細胞核呈蠶豆狀 特徵 : 能藉變形運動擠過微血管壁 --> 受感染及發炎部位的組織細胞間 功用 : 吞噬病原體及體積大的外物

(b) 淋巴球 (lymphocytes) 構造 : 細胞核呈圓球狀，只有少許細胞質 特徵 : 1) 不能進行變形運動 特徵 : 1) 不能進行變形運動 2) 壽命較長 ( 數天 --> 數年 ) 功用 : 產生抗體 --> 1) 引發免疫反應 2) 器官排斥 3) 殺死腫瘤細胞

(2) 血小板 (blood platelets) 形成 : 巨核細胞 --> 細胞碎塊 --> 在脾臟破壞 (megakaryotes) 形狀 : 不規則、呈扁平狀、沒有細胞核、 並沒血紅蛋白 功用 : 傷口處刺激凝血機制 --> 避免血液流失 --> 避免病原體入侵

凝血作用 (blood clotting) 當組織被傷害時，血液從傷口流出，但凝固成血凝塊 但血液在血管內不會凝固亦同樣重要 其機制相當複雜，牽涉 12 個不同凝血因子，協調帶出 若血液中除去血纖維蛋白原，血液被稱為血清 (serum) 血友病 (haemophilia) - 遺傳病 - 是一隱性突變基因 - 缺乏 / 少量凝血因子 - 傷口流血不止

凝血作用 (blood clotting)

(3) 紅血球 (red blood cells) 數量 : 5,000,00 / ml 血液 ( 與個人的年齡、性別、及健康狀況有關 ) 顏色 : 呈紅色 ( ∵ 攜載血紅蛋白， 提高血液的載氧功能 ) 特徵 : 體積細小 ( 直徑 ~7um / 微血管直徑 ) 狀狀 : 雙陷盤狀 --> 提供最大的表面面積予 O2 擴散進出

構造 ( 在人類 ) : 1) 無細胞核 --> 提供較大的空間攜載血紅蛋白 2) 細胞膜薄 --> 氣體可迅速擴散進出 3) 細胞膜具彈性 --> 容許略改形狀，擠過窄細 的微血管 功用 : 1) 運送 O2 2) 運送 CO2 產生地點 : 骨髓 1) 胎兒 - 所有骨塊也有生血組織 (haemopioetic tissue ) 2) 成人 - 只有盆骨、肋骨、胸骨、脊椎骨、鎖骨、 肩胛骨、及頭骨才有生血功能

破壞地點 : 肝、及脾 壽命 : 只有 3 - 4 個月壽命 分解過程 :- 1) 蛋白質 --> 氨基酸 2) 鐵質 --> 以鐵蛋白貯存在肝臟 --> 從新組合成新的紅血球 / 細胞色素 3) 其他部份 --> 分解為兩種色素 ( 膽紅素、及 膽綠素 )，隨膽汁經腸道排泄

(a) 氧氣的運送 (Transport O2) = 0.58ml O2 / 100 ml 血液 亦隨 ToC ，而  O2 在哺乳類動物體內的溶解度更低 = 0.46ml O2 / 100 ml 血液 有些動物的血液內有呼吸色素 : - 與 O2 有很高的親合力 - 呼吸色素 + O2 --> 氧合呼吸色素 -->  血液的載氧量 - 可逆的，能離解將氧釋出

血紅蛋白 (haemoglobin) - 是一種呼吸色素 - 存在於脊椎動物的紅血球內 / 無脊椎動 物的血漿內 - 能有效地吸收 O2，及將 O2 釋出 : [ O2 ] 高 ( 如:呼吸面 ) 血紅蛋白 + 氧氣 -----> 氧合血紅蛋白 <----- [ O2 ] 低 ( 如:組織細胞 )

血紅蛋白份子的構造 份子可分為兩部份 : 1) 蛋白部份 - 由 4 條多月太鏈組成 ( 2、2，各有一血紅素) 1) 蛋白部份 - 由 4 條多月太鏈組成 ( 2、2，各有一血紅素) 2) 血紅素份子 (Hb) - 呈紅色 - 具有一口卜口林 環 ( 是一輔基，含 Fe2+ 離 子，與 O2 結合，將 O2 攜載 ) [O2] 高 Hb + 4O2 ------> HbO8 <------ [O2] 低

氧離解曲線 (Oxygen dissociation curve) 氧離解曲線圖 波爾效應 (Bohr effect) 比較胎兒及成人的氧離解曲線 比較不同體積的動物的氧離解曲線圖 與高地生活的動物比較其氧離解曲線圖

(b) 二氧化碳的運送 (Transport CO2) 1) 以溶解的方式 (5%) - H2CO3 (aq) / CO2 (aq) 2) 被血紅蛋白運送 (10-20%) - 取決於血紅蛋白的裝氧量 Hb-NH2 + CO2 -----> HB-N-HCOO- + H+ 血紅蛋白 氨甲西先血紅蛋白

3) 以 HCO3- 運送 (85%) CO2 + H2O -----> H2CO3 -----> H+ + HCO3- <----- <-----

血液的功能 (Functions of blood) 血液具有很多種不同的重要功用 主要可分為兩大類 : 1) 物質的運輸 - 血漿 ( 運輸不同物質 ) - 紅血球 ( 運輸氣體 ) 2) 疾病的防禦 - 白血球 - 血小板

心臟 --> 動脈 --> 支動脈 --> 微血管 --> 支靜脈 --> 靜脈 --> 心臟 血管 (Blood vessels) 種類 : 可分為以下 3 種 - 1) 動脈 - 將血液運離心臟 2) 靜脈 - 將血液運回心臟 3) 微血管 - 將動靜脈連接 心臟 --> 動脈 --> 支動脈 --> 微血管 --> 支靜脈 --> 靜脈 --> 心臟

血管壁的構造 : 可分為以下三層組織 1) 內膜 - 是一薄層 - 鱗狀上皮 2) 中膜 - 由平滑肌及彈性纖維組成 3) 外膜 - 由纖維結締組織及膠原纖維組成

(a) 動脈 (Artery) 運送血液離開心臟 中膜較厚，由彈性肌肉組織組成 管腔較窄小 無瓣膜 ( 肺動脈及大動脈除外 ) 血壓較高，以脈搏性流動 血流較迅速 血量最低 運送帶氧血 ( 肺動脈除外 )

(b) 靜脈 (Vein) 運送血液回心臟 中膜較薄，由膠原纖維組成，只有少許肌肉及少量彈性纖維 管腔較大 沿其內壁有半月瓣 --> 避免血液倒流 --> 促使血液以單方向流固心臟 血壓較低，不以脈搏性流動 血流較慢 血量增加 運送無氧血 ( 肺靜脈除外 )

(a) 動脈 (Artery) 運送血液離開心臟 中膜較厚，由彈性肌肉組織組成 管腔較窄小 無瓣膜 ( 肺動脈及大動脈除外 ) 血壓較高，以脈搏性流動 血流較迅速 血量最低 運送帶氧血 ( 肺動脈除外 )

(c) 微血管 (Capillary)

連繫著支動脈及支靜脈 在血液及組織間進行物質交換 血管壁並沒有外膜及中膜，並沒有彈性纖維，內膜只由鱗狀上皮細胞 / 內層細胞組成 管腔最細小 無瓣膜 血壓及血流逐漸 ，並不以搏脈性流動 血量大 混合著有氧血及無氧血

哺乳類動物的血液循環 (Blood circulation in mammals)

哺乳類動物的血液循環 (Blood circulation in mammals) 雙循環 (double circulation) : 血液在體內完成一次循環時，會循兩條途徑運行 雙循環由兩部份組成 : 1) 肺循環 (pulmonary circulation) - 是血液在肺部及心臟間的血液循環 2) 體循環 (systemic circulation) - 是身體各部位 ( 除肺部外 ) 與心臟 間的血液循環

肺循環 (pulmonary circulation) 體循環 (systemic circulation) 如 : 腎系統 (renal system) : 肝系統 (hepatic system) 雙循環的優點 : 1) 分隔帶氧血及無氧血，保持血液的高 載氧量 2) 維持血液的高血壓及高流速

哺乳類動物的心臟 (The mammalian heart) 心肌 構造 心搏週期 心搏率的控制

特徵 (Characteristics) 位置 : 胸腔內、兩肺間、 胸骨下 功用 : 抽壓血液在體內循環

心臟的組織結構 (The tissue structure of the heart)

由心肌 (cardiac muscle)、結締組織、及細小的血管組成 心肌纖維細胞 (cardiac muscle cell) : 內有 1 - 2 個細胞核、大量肌絲 / 肌原纖 維、及大量粒線體 : 具分支 --> 能與其他心肌纖維相交 --> 連繫成一複雜的網絡 --> 使心縮的訊息迅速擴散 --> 促進整個心房或心室同步收縮 : 以間盤與鄰心肌細胞連接

心臟的外構造 (External structure of the heart)

圍心膜 (Pericardium) 功用 : 保護心臟 包圍著心臟的薄膜，呈錐形、囊狀 並沒有彈性 由兩層組織構成 : 功用 : 保護心臟 包圍著心臟的薄膜，呈錐形、囊狀 並沒有彈性 由兩層組織構成 : 1) 外層 - 非彈性，由白色纖維組成 --> 避免心臟過份伸張 / 充血 2) 內層 - 為雙層薄膜 - 內膜貼在心臟表面，外膜附在 外層上

圍心膜腔 (Pericardial cavity) 是圍心膜與心臟間的空隙 內充滿圍心膜腔液，由圍心膜分泌 功用 :  心臟跳動時心臟壁與組織間造成 的摩擦力

冠狀動脈及靜脈 (Coronary artery & vein) 是位在心臟表面上的動靜脈血管 冠狀動脈 (coronary artery) - 供應 O2 及營養素予心臟 冠狀靜脈 (coronary vein) - 將廢物及 CO2 帶離心臟

心臟的內構造 (Internal structure of the heart)

心臟的內構造 (Internal structure of the heart) 分為四個空腔 : 1) 心耳 (atria) - 左心耳、右心耳 2) 心室 (ventricle) - 左心室、右心室 膈膜 (septum) - 心臟中間的厚壁，將有氧及無氧血分隔 乳突肌、腱索 --> 防止瓣膜翻進心房 心瓣 (valves) - 避免血液倒流 - 尖瓣 (cuspid valves)、 半月瓣 (semi-lunar valves)

定義 時間及速率 心搏率的控制 心搏週期不同階段 心搏週期 (Cardiac cycle) 定義 時間及速率 心搏率的控制 心搏週期不同階段

定義 (Definition) 心臟利用心肌交替地收縮 ( 心縮 systole ) 和放鬆 ( 心舒 diastole )，將血液泵壓 是一連串的節奏性活動 / 次序 在一次心搏的時間內發生

時間及速率 (Time & rate) 一次心搏週期的時間 = 0.8 s 心搏率 = 1 / 心搏週期所需的時間 人類的正常心搏率 = 60 - 80 / min 心搏率隨不同人仕的年齡、身體狀況、活動、代謝率等而有所改變 如 : 運動時，心搏率可  至 100 - 150/min

控制 (Control) 由起搏黠引發和控制 起搏點位於心臟內

(1) 心房收縮期 (Atrial systole) 兩心房同時收縮 --> 心房容積  --> P  > 心室 --> 使尖瓣開啟 --> 血液被泵壓至心室 心房於收縮後隨即放鬆

(2) 心室收縮期 (Ventricular systole) 兩心室立即同時收縮 --> 心室容積  --> P  > 大動脈、及肺動脈 --> 使半月瓣開啟 --> 血液被泵壓至動脈，流出心臟

--> P  > 心房 --> 使尖瓣關閉 ( 避免血液倒流回心耳 ) --> 產生第一下心跳聲 “立” --> 乳突肌收縮 --> 拉緊腱索 --> 避免瓣膜翻進心房 兩心室於收縮後隨即放鬆 --> 進入心舒期

(3) 心舒期 (Diastole) - 0.4 s 兩心室的肌肉同時放鬆 --> 心室容積  --> P  < 大動脈、及肺動脈 --> 使半月瓣關閉 (避免血液倒流回心室) --> 產生第二下心跳聲 “立” 心房的肌肉亦同時放鬆 --> 心房容積  --> P  < 大靜脈、及肺靜脈 --> 血液由靜脈流入心房

心房逐漸充血擴大 --> 心房內的血壓  > 心室 --> 迫使尖瓣開啟 --> 有些血液亦流進正在放鬆的心室

刺激心臟及心縮的機制 (Mechanism of heart excitation & contraction) 心搏率的肌原性控制 心搏率的調節

心搏率的肌原性控制 (Myogenic control of heartbeat rate) 是所有脊椎動物的特徵 即心搏由心臟本身引發及控制，而不是由心臟外的神經系統 發現 : 將剖出的心臟放在有氧的格林氏液 中，並恆定在 37oC --> 沒有神經系統及內分泌系統的 控制下仍可繼續搏動 --> 心臟具肌原性

竇房結 / S-A 結 (Sino-atrial node) 位置 : 右心房，靠近大靜脈的入口處 組成 : 由少量排列鬆散的心肌纖維細胞組 成 : 心肌纖維細胞內有少量肌原纖維、 及從自主神經系統而來的神經末梢 心搏率可由自主神經系統協調及改變

功用 : 是起搏點 : 發出使心臟收縮 / 心搏的神經訊息 --> 傳送至鄰近的心肌細胞 --> 收縮 --> 經心房內心肌纖維細胞的網絡傳 送 ( v = 1 m/s ) --> 兩心房差不多同步收縮

房室結 / A-V 結 (Atrio-ventricular node) 位置 : 右心房，S-A 結之下 組成 : 與 S-A 結相同 ( 即由少量排列鬆散 的心肌纖維細胞組成 ) 房室膈 (atrio-ventricular septum) : 完全將心房肌纖維完全與心室肌分隔 ( A-V 結這部份除外 ) A-V 束 : 提供唯一通道予神經脈衝從心房 至心室 ( 約 0.15 s 遲延 ) --> 心室收縮緊隨心房收縮進行

凱氏束 (bundle of His) : 由一束特化的心肌纖維組成 : 從 A-V 結伸延出來 : 亦與 A-V 結連接 蒲耶氏組織 (Purkyne tissue) : 由凱氏束細分的更幼分支 : 神經脈衝可迅速沿此組織傳送至心室各 部份 ( v = 5 m/s ) --> 左右心室接受神經脈衝 --> 同步收縮 心室的收縮 : 心臟的下尖 --> 向上擴展 --> 整個心室

心搏率的調節 (Regulation of heartbeat rate) 神經控制 非神經 / 化學性控制 運動的影響

心搏率的調節 (Regulation of heartbeat rate) 起搏點 / S-A 結引發心搏 身體可調節心搏率 --> 在不同的身體狀況下維持一穩定的血流，保持體內平衡 主要由兩大系統控制 : 1) 神經控制 (nervous control) 2) 化學性控制 (chemical control)

與心搏率有關的詞彙 (Terms related to heartbeat rate) 心搏率 (cardiac rate) : 心臟於一單位時間內的心搏速率 心搏量 (stoke volume) : 心臟在單一次心搏時的血液輸出量 心輸出量 (cardiac output) : 心臟於一單位時間內的血液輸出量 : = 心搏量 x 心搏率

心搏率的神經控制 (Nervous control of heartbeat rate)