【細胞生物學】2.呼吸：氧氣、氣體交換、能量釋放

介紹
什麼是呼吸？
直接擴散：最簡單的氣體交換方法
對於大型生物來說，直接擴散是不夠的
血液迴圈系統：運送氧氣的高速公路
肺和鰓：專門吸收氧氣的器官
氧化損傷與昆蟲不連續呼吸之謎
細胞呼吸和三磷酸腺苷（ATP）的產生

你知道麼

有370多種無肺蠑螈透過皮膚獲取所有氧氣。你可能熟悉肺或鰓等呼吸器官，但生物體獲取氧氣的方式多種多樣。然而，為什麼氧氣如此重要？

關鍵概念

儘管在整個人類歷史上，許多文化都認識到呼吸的重要性（例如印度的普拉那概念），但直到18世紀，才透過實驗發現氧氣是我們呼吸時所消耗的特定物質。
呼吸是從有機分子中提取可用化學能的過程，所有生物都會進行這一過程；類似燃燒燃料產生熱量和光，只不過它更為可控。
生物學家和物理學家的共同研究表明，生物體為氣體交換而演化出的許多結構（例如肺和鰓）都是為了最大化氧氣擴散的表面積。
未在呼吸過程中消耗的氧氣會很快對生物組織產生毒性。近年來，一些生物學家認為，許多昆蟲會以奇怪的方式開啟和關閉呼吸系統，限制氧氣接觸，原因正在此。
三磷酸腺苷 (ATP) 是呼吸的主要產物；有了這個發現，生物化學家就能夠精確測量比較有氧呼吸和無氧呼吸的效率——19比1。

簡介

想象身處18世紀末的法國，一個赤裸上身、戴著密閉面具的年輕人坐在一間房間，四周的架子上擺滿罐子。他與一個大型儲罐由管道相連，這是整個房間化學裝置的一部分。單向閥確保他呼吸時撥出的氣體透過管道收集起來。

法國化學家安託萬·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）在裝置的另一端，彎腰伏在水盆上。戴面具的人是他的同事兼合作者阿爾芒·塞金 (Armand Séguin)。還有其他幾名男子協助進行實驗——其中一人將手放在塞金的手腕上，測量他的脈搏。

與此同時，拉瓦錫的妻子瑪麗·安妮·拉瓦錫（Marie-Anne Lavoisier）坐在傍邊一張繪圖桌旁，精心繪圖（圖1）來記錄該實驗。多虧瑪麗·安妮這位插圖畫家、記錄員、翻譯的勤奮工作（儘管常不被認可），我們從而瞭解到拉瓦錫開展實驗的場景。

房間裡的所有人都有一個共同目標：測量塞金在休息時消耗了多少“可呼吸的空氣”。

圖1：瑪麗-安妮·拉瓦錫繪製的她丈夫安託萬·拉瓦錫其中一個呼吸實驗。坐在左側的是合作者阿爾芒·塞金，他右邊的安託萬·拉瓦錫正探身看水盆。拉瓦錫夫人本人則坐在最右邊的繪圖桌旁。塞金與一臺儀器相連，用來測量他每次呼吸消耗的氧氣量。

拉瓦錫感興趣的“可吸入空氣”早於18世紀70年代由兩位獨立工作的科學家成功分離：瑞典的卡爾·W·舍勒（Carl W. Scheele）和英國的約瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）分離出氣體，發現它能讓蠟燭燃燒得比平常更快。在老鼠身上測試了這種氣體後，普里斯特利還試著自己呼吸它，“胸部感覺特別輕鬆容易”（Kean，2017）。

不久之後，普里斯特利和拉瓦錫在一次晚宴上相遇。這次談話激發拉瓦錫的靈感，他繼承了（或者說竊取了，這取決於你問誰）普里斯特利的思想。塞金被招募為實驗物件，在實驗室裡接受了數次化學檢查，包括他的呼吸頻率、脈搏、吸氣、呼氣。1779年，拉瓦錫將這種氣體命名為氧氣。（在“早期物質觀念”模組中，閱讀更多關於普里斯特利和拉瓦錫對化學的貢獻。）

從空氣中分離出生物所需的營養物質，是拉瓦錫和他的同事重大的里程碑。但身體如何以及為什麼吸收氧氣，仍然不清楚。

什麼是呼吸？

我們從很小就認識到呼吸的重要性。回想你第一次嘗試屏住呼吸，卻發現自己的身體迫切地想要喘氣。

在古印度，呼吸（稱為普拉那prana）被認為是人類與宇宙的紐帶，是人不朽靈魂的體現。同樣，傳統中醫認為呼吸與人的生命體密切相關（稱為氣qi，有時也叫ki或chi）。在古希臘斯多葛哲學中，生命之氣（pneuma）是構建物質以及人類靈魂的力量。同時，現代醫學證實了深呼吸對全身健康有好處，例如減輕壓力和鎮靜神經系統。

呼吸——從空氣中吸收氧氣並排出二氧化碳——只是遍佈全身的“呼吸過程”（respiration）的步驟之一。生物透過呼吸過程將食物中所含的能量轉化為個體可以利用的形式。

值得注意的是，並非所有形式的呼吸過程都需要氧氣。許多細菌、真菌和其他微生物在呼吸過程中不使用氧氣。沒有氧氣的呼吸稱為“無氧呼吸”（anaerobic respiration），而有氧氣的呼吸稱為“有氧呼吸”（aerobic respiration）。然而，就每單位時間內產生的可用能量而言，有氧呼吸比無氧呼吸效率更高、單位燃料消耗量更大。因此，發展出有氧呼吸是地球生命史上的一個重要里程碑。沒有它，演化出複雜而大型的需要大量的能量來維持生存動植物，或許就沒了可能。

呼吸作用可分為兩個主要階段：“氣體交換”（gas exchange，主要步驟為呼與吸）和“細胞呼吸”(celluar respiration)。“

氣體交換是從外部環境吸收氧氣並將其分佈到身體細胞，運輸和帶走碳的過程。而細胞呼吸是發生在細胞內的一系列複雜的化學反應，最終將糖變成可用能源，並釋放二氧化碳和水作為副產品。

在本模組中，我們將重點關注氣體交換，而細胞呼吸則在能量代謝I”和“能量代謝 II”模組中介紹“。

直接擴散：最簡單的氣體交換方法

儘管氣體交換有很多形式，它們都取決於流體（氣體和液體）物理性質。因為液體中的原子和分子持續運動，它們傾向於從高濃度區域擴散到到低濃度區域，該過程稱為“擴散作用”（diffusion）。濃度差異越大，整體擴散速度越快。（參見“擴散作用”模組）。

生物體利用擴散作用，將可滲透的（可穿透的）的表面暴露於富含氧氣的流體（比如空氣和水）。想象不小心把一本書或雜誌放入一灘水，會發生什麼。隨著時間的推移，由於紙張對水具有滲透性，液體會滲入紙中。如果立即拿起書，只有底部會溼。但是，如果把書放那兒一個小時或更長時間，整本書可能會浸透。在這個例子中，水已經擴散到書頁中。

只要外界環境的氧氣濃度高於生物體內的氧氣，氧分子會自然地穿過任何可滲透的表面進入組織。暴露的表面積越大，氧氣進入組織的速度就越快。由於分子移動的路徑是無目的且隨機，所以單個氧分子總是會進出身體。然而，當濃度存在差異時，將形成從高濃度區域（例如，身體外部的空氣）向低濃度區域（例如，身體內部的組織）淨流動。

目前，地球大氣中約21%為氣態氧。地球上水體的氧氣濃度各不相同，海洋表面含氧量充足的水的溶解氧含量約為0.495%。微生物和一些較小或不太活躍的生物，如扁蟲、海綿、水母，可以透過“直接擴散”從大氣或海洋中獲得足夠的氧氣——氧氣透過它們身體外表面被動進入組織。直接擴散是最簡單的氣體交換的方法，因為它不需要專門的生物結構或行為，只需要至少在一定程度上可滲透氧氣的外部表面。

對於大型生物來說，直接擴散是不夠的

海洋扁蟲的身體非常纖細，其細胞距離外界環境不超過幾層細胞。相比之下，非洲象的體積相對於其外表面之比大得多。它的一些深層組織可能距離空氣有一米或更遠。這是因為表面積和體積之間存在一種數學關係：物體的尺寸增加時，其體積的增加幅度將遠遠超過其相對錶面積的增加幅度。

把海洋扁蟲想象為一個非常薄的矩形盒子。假設它長10毫米，寬5毫米，高1毫米。在不改變其形狀的情況下將其延長10倍或100倍，它的表面積與體積之比相差就會很大（見互動式動畫）。

即便大象的皮膚具有很強的滲透性（事實上並沒有），也不可能有足夠的氧氣擴散深入大象的組織。擴散是一個漸進的過程。氧氣擴散一層所用時間就已很長，因此單靠擴散將氧氣輸送到多層細胞根本不夠用。因此，直接擴散不能滿足更大生物的氣體交換需求。

一種方法是減少內部組織和外部組織之間距離，是將空氣直接吸入體內。這正是昆蟲獲取氧氣的方式，它們利用“氣管呼吸系統”(tracheal respiratory system)。昆蟲外骨骼上的微小孔洞被稱為“氣孔”（spiracles），與狹窄的分支管道（稱為“氣管”tracheae）相連。空氣流入這些管道並直接擴散到身體組織中。

至少從1669年開始，科學家已經意識到昆蟲中氣管系統的重要性。義大利生物學家和醫生馬塞洛·馬爾皮基 (Marcello Malpighi) 發表了有關蠶蛾的詳細解剖學研究並正確掌握了氣管系統的用途。

雖然有些動物同時擁有氣管系統和攜氧迴圈系統（如蜘蛛和龍蝦），昆蟲並不在其列。昆蟲有迴圈系統，但沒有真正的血液或血管，昆蟲只有“血淋巴”（hemolymph），一種在身體空間內自由流動的體液，沖刷器官和組織。與血液不同，血淋巴不能有效地將氧氣輸送到身體各處，因此它不是昆蟲呼吸過程的重要組成。

類似的氣體交換開口，許多植物的葉子和莖上也有，它們分別被稱為“氣孔”（stomata）和“皮孔”（lenticels）（圖2）。昆蟲可以通過幾種方式，透過氣管系統調節氣體交換，包括開關氣孔（如閥門）、彎曲肌肉以提高空氣進出效率。這樣可以將氧氣含量高的新鮮空氣帶入昆蟲體內深處，讓擴散充分發揮作用。實際上，它為氣體交換創造了更多的表面積。

圖2：昆蟲氣孔與葉氣孔的並列特寫。

【考考自己】昆蟲既有氣管系統，也有攜氧迴圈系統。

a.對。

b.錯。

血液迴圈系統：運送氧氣的超級高速公路

昆蟲的氣管呼吸系統在小尺度內非常高效，但無法應對在大型身體內輸送氧氣的挑戰。這是所有昆蟲都相對較小的主要原因之一。

血液區與昆蟲血淋巴的最大區別在於血液中含血紅細胞。紅細胞使人類（和其他脊椎動物）的血液非常善於攜帶氧氣。更具體地說，紅細胞含有一種特殊的氧結合蛋白質，稱為“血紅蛋白”（hemoglobin）。

血漿（plasma）中如果沒有血紅蛋白，氧氣在其中的溶解性很差，而血漿構成了血液中液體。即使是含氧量充足的水，溶解的氧氣不足的1%，而空氣的溶解氧含量為21%。這是因為氧和水的化學性質讓它們在分子水平上不相容。（參見“化學鍵”模組。）

然而，每個血紅蛋白分子鍵合4個氧分子，而每個紅細胞中有2.5億個血紅蛋白分子。也就是說，每個紅細胞可以承載約10億個氧分子。因此，血紅蛋白承載著血液中98%的氧氣。事實上，血液在儲存氧氣方面非常高效，血液中的氧氣濃度可比等量的水高出30倍以上（圖3）。

圖3：下表中的條形圖顯示了空氣、水和血液中氧氣的大致濃度。血液中的 20% 相對於空氣中的 21% 似乎較低，但請記住，血液是水基的，因此與海水（<0.5%）相比更合適。

除了哺乳動物，其他動物也演化出各種攜氧分子。“血藍蛋白” （Hemocyanin）的功能類似於血紅蛋白，但它是藍色的，存在於蜘蛛和龍蝦的血液中。

即使沒有像肺或鰓這樣專門吸收氧氣的器官，以血液為基礎的迴圈系統大大改善氣體交換效率。幾組非昆蟲無脊椎動物，例如蚯蚓、水蛭，也有以血液為基礎的迴圈系統。事實上，並不是所有脊椎動物有肺。雖然成年兩棲動物通常有肺，但它們身體發育多個階段沒有肺。目前有370多種無肺蠑螈（salamanders）透過皮膚（特別是口腔和喉嚨的內壁）獲取氧氣，並透過血液在體內迴圈。

研究無肺蠑螈的生物學家注意到，它們在身體和行為上改變適應，改善它們的呼吸能力，包括增加皮膚附近的血流量，並透過脈動喉嚨肌肉將空氣泵入和撥出嘴巴。2016年，哈佛大學生物學家詹姆斯·漢肯（James Hanken）團隊決定尋找適應無肺生存的基因證據。果然，這些蠑螈的基因分析揭露，它們的皮膚表達了一種通常與肺功能有關的基因。這使得漢肯和他的團隊得出結論，無肺蠑螈已經重新利用了一種關鍵的蛋白質實現肺功能，以提高透過皮膚呼吸的能力。

【考考自己】每個血紅蛋白分子僅鍵合1個氧分子。

a.對。

b.錯。

肺和鰓：專門吸收氧氣的器官

體型更大、更活躍的生物已經演化出複雜的提取氧氣的器官，以滿足其氣體交換需求。此類器官與攜氧迴圈系統緊密合作，這種組合非常有利於從空氣或水中提取氧氣並將其快速輸送到全身。

對於魚類等動物和許多兩棲動物的幼體來說，它們的氧氣提取器官是鰓。對於哺乳動物來說，它們是肺。比較一下墨西哥鈍口螈（axolotl，一種永久水生蠑螈）的外鰓和人類肺的內部結構（圖4）。你可能會注意到它們看起來像彼此的映象。這並非巧合。

肺和鰓遵循相同的基本原理：最大限度地利用可用的表面面積，讓氣體擴散透過。墨西哥鈍口螈的鰓透過向外分支成數百個羽毛狀的外部細絲來實現這一點，這些細絲可最大限度地增加接觸含氧水的表面積。人類的肺由分支管和囊組成，以最大限度地增加暴露在空氣中的表面積。

圖 4：墨西哥鈍口螈外鰓和人類肺內分支結構的並排影像。

人類肺部的表面積從70平方米到140平方米（750平方英尺到1500平方英尺），相當於一間公寓面積的面積，略小於網球場的一半。相比之下，成年人外部表面積（我們的皮膚）的標準估計值僅為約1.7平方米（18平方英尺）。

圖5：成年人的表面面積與肺部內部表面面積的並排比例塊。

鰓和肺中的組織都佈滿了“毛細管”，這些微管可以讓氣體快速擴散進出血液。還記得麼，我們提到過擴散只能在非常小的距離內快速工作？毛細管比一張紙薄薄十倍。事實上，毛細血管薄到只能讓紅血球細胞排成一列。氧氣迅速擴散到毛細管細胞，進入紅細胞中，在那裡它與攜氧分子結合。

氧化損傷與昆蟲不連續呼吸之謎

到目前為止，我們只探究了生物如何增加體內的氧氣量。然而，利用氧氣的化學過程也會造成損害：氧氣會產生極易反應的粒子，損害活體組織。這被稱為“氧化損傷”(oxidative damage)，它可能是揭秘昆蟲呼吸過程的關鍵。

美國動物學家施奈德曼（Howard A. Schneiderman）和威廉姆斯（Carroll M. Williams）1955年在《生物學公報》（The Biology Bulletin）上發表報告中，他們提出對蠶蛾蛹的呼吸的量化研究。施奈德曼和威廉姆斯預計氧氣進入和二氧化碳排出的模式會很平穩。但他們測量到氧氣的消耗恆定，而二氧化碳釋放週期性突然達到峰值，隨後長時間幾乎沒有釋放（圖 6）。

圖 6：18小時內休眠蛹的氧氣消耗率和二氧化碳排出率。

二氧化碳的爆發性釋放與氣門活動的模式相對應：

1.一短段時間內，氣孔完全開啟

2.另一短段時間內，氣孔完全關閉

3.長時間快速的開關切換，限制了空氣流。

自施奈德曼和威廉姆斯發表報告後，生物學家在許多其他昆蟲中記錄了類似的模式，被稱為“不連續氣體交換”或“不連續呼吸”。

科學家積極研究，昆蟲這樣做究竟是為了什麼。一些科學家最初認為氣孔關閉是為了透過最大限度地減少潮溼的內部組織暴露在乾燥空氣中來防止水分流失。另一種可能性是昆蟲需要補償生活在地下的影響，因為地下通風不良可能會意味著二氧化碳濃度隨著時間變得太高而危險。

21世紀初的生物學家赫茲（Stefan K. Hetz）和布萊德雷（Timothy J. Bradley）對這兩種說法都不滿意。他們認為這些解釋忽視了氧化損傷的重要性。例如，他們瞭解到其他科學家的實驗研究表明，即使在正常條件下，健康的果蠅也會隨著時間的推移而遭受氧化損傷。也許為了平衡氧氣的代謝效用和潛在危害，昆蟲演化出了不連續呼吸。

為了測試假說，赫茲和布萊德雷對一隻阿特拉斯蛾蛹進行了測量，這種蛾的身體兩側有大而易接近的氣孔。透過使用各種感測器，他倆測量了在不連續呼吸的不同階段的資料，包括：

氣管系統內部氣壓
氣管系統中的氧氣濃度
腹部運動
隨時間推移的氧氣消耗和二氧化碳釋放

他們還透過實驗改變了蛹的環境，改變周圍空氣中的氧氣濃度，觀察這對呼吸的影響。即使他們將氧氣濃度提高到日常水平的兩倍以上，氣管內的氧氣濃度幾乎保持恆定（圖7）。

當蛾子關閉氣孔時，組織吸收氧氣用於呼吸作用，氧氣濃度隨之降低。然而，由於昆蟲組織釋放二氧化碳的速度總是比氧氣吸收的速度慢，因此二氧化碳開始積聚。因此，昆蟲會擺動氣孔開啟和關閉，讓一些二氧化碳逸出，讓少量氧氣進入。與氣孔完全開啟或完全關閉相比，昆蟲可以維持這種呼吸模式更長時間。儘管如此，二氧化碳濃度最終會達到昆蟲必須完全開啟氣孔以排出過量氣體的程度（圖 7）。當這種情況發生時，氧氣濃度會升至危險水平，迴圈重新開始。

圖7：即使周圍氧氣濃度增加，氣管內的氧氣濃度仍保持穩定在較低水平。

值得注意的是，只有在休息和舒適的條件下，昆蟲才會進行不連續的氣體交換。當昆蟲暴露於代謝要求高的情況時，例如高活動或高溫時，它們的氣孔就會敞開。因此，赫茲和布萊德雷認為不連續呼吸是一種“空轉”（idling）。昆蟲無需滿負荷運轉時，利用這種方式來避免在高效氣體交換時遭受氧化損傷。

這項研究強調了呼吸作用的一個基本事實：每個生物體的呼吸系統對氧氣的安全利用速度都有一個上限。請記住，地球大氣在海平面附近的氧氣含量只有 21%，而這正是我們的呼吸系統所適應的。在這些情況下，呼吸效果很好。如果你身體健康，你的呼吸系統可以讓血液幾乎充滿氧氣。然而，呼吸純氧很快就會開始對肺部造成不可挽回的損傷。

【考考自己】什麼是氧化損傷？

a.冗餘氧氣存在時，易反應粒子造成的組織損傷。

b.由於缺氧而帶來的組織損傷。

細胞呼吸與三磷酸腺苷（ATP）的產生

只要為細胞供應適量的氧氣和燃料分子（即食物），細胞就可以完呼吸過程的一半——“細胞呼吸”。這一過程對拉瓦錫及其18世紀的同行來說仍然是個謎。儘管如此，拉瓦錫考慮到氧氣對明火的影響，猜測到氧氣可能參與了肺部受控燃燒之類的過程。

細胞呼吸的主要燃料是“葡萄糖”，從分解的食物中獲得的一種簡單的糖——儘管脂肪和氨基酸等生物分子也可以使用。科學家在20世紀初就認識到了葡萄糖的重要性。然而，研究細胞將葡萄糖轉化為能量的化學步驟用了此後幾乎一個世紀的時間。

直到1939年，人們才確定了細胞呼吸的產物。當時德裔美國生物化學家李普曼（Fritz Lipmann）證明葡萄糖釋放的能量被轉移到另一個分子中：三磷酸腺苷（ATP）。這種非凡的分子透過在其化學結構中儲存能量，充當活細胞的能量貨幣。透過建立或修改這種分子，細胞可以儲存或釋放能量，ATP單元就像微小的分子電池一樣。它會根據需要在細胞內移動，為各種化學反應提供能量，讓細胞存活。

有氧呼吸作用的真實效率、氧氣的相應重要性，在ATP上明顯體現。透過有氧呼吸，一個葡萄糖分子產生38個ATP分子。相比之下，無氧呼吸只產生2個ATP分子。效率相差近20倍！難怪追求高效氣體交換塑造了這個星球上的每一個多細胞生物。

資料來源：

Kenrick Vezina“呼吸” Visionlearning Vol. BIO-6 (5), 2024 年。

https://www.visionlearning.com/en/library/biology/2/respiration/285

References

Hetz, S. K., & Bradley, T. J. (2005). Insects breathe discontinuously to avoid oxygen toxicity. Nature, 433(7025), 516–519. https://doi.org/10.1038/nature03106
Kean, S. (2017). Caesar's Last Breath: The Epic Story of the Air Around Us. Random House.
Schneiderman, H. A., & Williams, C. M. (1955). An experimental analysis of the discontinuous respiration of the Cecropia silkworm. The Biological Bulletin, 109(1), 123-143.