一、生物體的恆定性

在正常的情況下,生物體內的水分、動物的心搏和呼吸的次數、血糖濃度和某些動物如:鳥類、哺乳類的體溫等,都會維持在一定範圍內,這種現象稱為恆定性。生物體內的生理狀態若能維持恆定,對生物體而言會具有較強的環境適應力,較不容易受到外界環境的干擾與影響,對生物的生存是較有幫助的。以上幾種恆定性將於各單元中詳細介紹。
本單元介紹動物體溫的恆定,若將動物依維持體溫方式的不同來加以區分,可分為恆溫動物(內溫動物)與變溫動物(外溫動物)兩類。

二、恆溫動物的特色

生物體內部可藉由代謝作用產生熱量來維持體溫,讓體溫維持在一定範圍內,不受環境變化而改變的動物,稱為「恆溫動物」。例如:鳥類及哺乳類動物;而人類屬於哺乳類,也是恆溫動物。
以下將舉人類為例,說明人類如何進行體溫的調節,以維持恆定性:

1、當體溫過高時:

1)汗腺排出汗水,藉由汗水的蒸發帶走身體過多的熱量,來降低體溫。

2)皮膚表面微血管擴張,讓流經皮膚的血液量增加,增強皮膚與空氣間的熱交換,加速體熱的散失,來降低體溫。

3)身體活動力下降,減少體熱的產生,來降低體溫。

4)打開電風扇與冷氣,增強空氣與皮膚之間的熱交換,加速體熱的散失,來降低體溫。

2、當體溫過低時:

1)身體顫抖引起肌肉收縮,以增加熱量的產生,來提高體溫。

2)多吃含高熱量的食物,讓細胞利用來產生更多的熱量,來提高體溫。

3)多穿禦寒的衣物,減少皮膚與空氣間的熱交換,降低熱量的散失。

4)皮膚表面微血管收縮,可減少流經皮膚的血液量,減低皮膚與空氣間的熱交換,來降低熱量的散失。

 

三、變溫動物的特色

變溫動物需從外界環境中吸收熱量來維持體溫,其溫度會隨著環境變化而改變。例如:魚類、兩生類及爬蟲類生物。
若外界溫度過高或過低時,變溫動物會利用以下方法來避免體溫上升過高或下降過低:

1)氣溫較低時,白天常可見爬蟲類趴在石頭上曬太陽,來吸收外界熱量以增加體溫。

2)當環境溫度過高或過低時,兩生類及爬蟲類生物會躲在石頭下或洞穴中,避免自身的體溫上升過高或下降過低。

 

四、生物的呼吸作用

生物細胞需要氧氣來進行呼吸作用,產生能量提供細胞使用,讓細胞能夠表現各種生命現象,是生物體內最重要的代謝作用。完整的呼吸作用即是生物細胞利用氧氣,將養分分解,產生二氧化碳、水及能量的過程。呼吸作用的反應方程式如下:

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呼吸作用除了產生能量給細胞利用之外,還會產生二氧化碳的代謝廢物,必須透過呼吸構造將二氧化碳排除,並從空氣中吸取氧氣供細胞使用,而維持氧氣的獲得與二氧化碳的排除,就是呼吸與氣體恆定性的主要任務。

五、生物的呼吸構造

不同的動物具有不同的呼吸器官,負責氧氣的吸收與二氧化碳的排除,
例如:魚類的鰓、兩生類及蚯蚓可用皮膚協助呼吸、爬蟲類鳥類與哺乳類利用肺臟來進行呼吸等。雖然各呼吸構造外型差異很大,但都具有以下三個共通特性,以利氣體交換:

1)具有分支、絲狀及泡狀的突起,增加氣體交換表面積。

2)構造內部布滿著微血管,有利氣體的擴散。

3)表面潤,有助於氣體的溶解。

單細胞生物直接透過氣體的擴散與外界交換氣體;而植物體則是利用氣孔與皮孔的構造,作為氣體交換的通道。

六、人體的呼吸系統

人體的呼吸系統由鼻、咽、喉、氣管、支氣管和肺臟所組成,各構造功能介紹如下:(請見下圖)

1)鼻子:
鼻腔中具有鼻毛及黏液,能將空氣中較大的灰塵濾出,讓較乾淨的氣體進入氣管中。

2)氣管:
氣管壁上具有許多纖毛,纖毛朝著向外的方向擺動,能使更微小的雜質隨纖毛擺動而排出。

3)肺臟:
肺臟位於胸腔內,由許多肺泡組成,肺泡上布滿微血管,來進行氣體的交換。

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圖片來源:國立編譯館

七、呼吸運動與氣體的交換

呼吸運動專指「吸氣」與「呼氣」的動作,這些動作會影響胸腔體積的變化,使得肺部因胸腔壓力改變而脹大縮小,完成氣體的交換。

1、吸氣時胸腔的變化:(請見上圖)

吸氣時肋骨上舉,橫膈膜收縮下降,此時密閉的胸腔體積擴大,造成胸腔壓力變小,外界氣體就經鼻、咽、喉、氣管、支氣管而進入肺臟,肺臟也隨著脹大,完成吸氣的動作。

2、呼氣時胸腔的變化:(請見上圖)

呼氣時肋骨下降,橫膈膜舒張而上升,此時密閉的胸腔體積縮小,造成胸腔壓力變大,擠壓肺臟內的氣體往外排出,肺臟也隨著變小,完成呼氣的動作。

吸氣與呼氣運動的比較如下表所示
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3、呼吸運動的調節:

成人的呼吸運動每分鐘約1518次,當劇烈運動時,血液中的二氧化碳會增加,於是刺激腦幹,促使呼吸運動加快,藉以排除過多的二氧化碳。

 

八、生物的代謝廢物與排泄作用

生物體攝取的養分經過消化作用後,分解為葡萄糖、胺基酸和脂肪酸等小分子養分,這些養分進入細胞中參與細胞的呼吸作用,除了產生能量給細胞利用之外,還會製造出二氧化碳、水和氨等代謝廢物,其中葡萄糖、胺基酸和脂肪酸的代謝,均會產生二氧化碳和水的廢物,而進行胺基酸(蛋白質)的代謝時,才會產生「氨」這種代謝廢物。
生物必須透過排泄構造,才能將這些廢物排出體外,以降低代謝廢物對生物體的危害。而這種排除代謝廢物的過程,就稱為「排泄作用」。

1、二氧化碳的排除:

植物體所產生的二氧化碳可由氣孔或皮孔排除,單細胞動物透過擴散作用直接排除,而大型動物則透過呼吸構造將二氧化碳排除。

2、水分的排除:

植物體所產生的水可提供細胞利用,或經由蒸散作用排出體外,單細胞動物透過擴散作用直接排除水分,而大型動物則透過尿液、汗液及呼吸時將水分排除。

3氨的排除

氨的毒性很強,必須迅速排出體外,避免對生物細胞造成危害。生活於水中的單細胞動物,可直接藉擴散作用將氨排出體外。而生活於陸地上的昆蟲及鳥類,則會將氨先轉變為毒性很小的尿酸,並混在糞便中排出。而在人體中,氨會於肝臟中被轉變為毒性稍弱的尿素,尿素溶於血液中經過腎臟的過濾,與過多的水和其他鹽類形成尿液排出;另外當人體流汗時也會將水分及尿素排出體外。

 

九、人體的泌尿系統

具有排泄功能的器官,稱為排泄器官,如:人體的肺臟、皮膚及產生尿液的泌尿系統。人體中的泌尿系統是由腎臟、輸尿管、膀胱及尿道所組成(請見下圖),各構造的功能介紹如下:
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圖片來源:國立編譯館

1)腎臟:可過濾血液,將多餘水分、鹽類及尿素等廢物濾除形成尿液。

2)輸尿管:將尿液送至膀胱中儲存。

3)膀胱:能儲存尿液,當達到一定尿量時,膀胱會收縮將儲存的尿液排出體外。

4)尿道:將膀胱所儲存的尿液排出體外。

十、生物體內水分的恆定

1、人體血液中水分的恆定:

水分恆定的控制中樞是腦幹。當血液中水分過少時,腦幹會發出指令,讓大腦產生口渴的感覺,並藉由喝水來增加體內的水分;同時腎臟也會形成較少的尿液,以降低水分的流失。當血液中水分過多時,腦幹會發出指令,讓腎臟過濾出多餘的水分,形成尿液排出體外。
除此之外,人類也可藉由皮膚上的角質層,來防止水分的散失。

2、其他陸生生物體內水分的恆定:

1)植物藉由表面的角質層、樹皮或關閉氣孔等方式,來防止水分的散失,協助體內水分的恆定。

2)昆蟲藉由外骨骼、爬蟲類藉由鱗片或骨板,都可以防止水分的散失,來維持體內水分的恆定。

十一、人體內血糖的恆定

1、控制血糖恆定的激素:

人體內分泌系統中,由胰臟所分泌的「胰島素」、「升糖素」及腎上腺所分泌的「腎上腺素」,具有控制血糖恆定的功能,各激素功能如下:

1)胰島素:

胰島素可以促使細胞利用血液中的葡萄糖(血糖),或將葡萄糖轉變成肝糖而儲存,具有降低血糖的功能。

2升糖素

升糖素於血糖過低時會分泌出來,能促使肝糖分解成葡萄糖並釋放到血液中,來提高血糖濃度。

3)腎上腺素:

當有適當的神經衝動傳導致此,腎上腺素能促使肝糖轉變為葡萄糖並釋放到血液中,來增加血糖濃度,有助於人體提高應付緊急事件的能力。

2、人類血糖恆定的調控:

1)早上剛睡醒還沒有吃早餐階段:

睡覺時細胞依然會利用葡萄糖進行呼吸作用,來產生細胞需要的能量。所以在早上剛起床時,血液中的葡萄糖含量偏低,腦部會產生飢餓的感覺,並引發吃早餐的想法。但在尚未吃早餐前,偏低的血糖會抑制胰島素的分泌,並促進升糖素的分泌,升糖素能分解肝糖並釋放出葡萄糖,以提高血糖濃度回到恆定範圍。

2)吃過早餐後的階段:

早餐進食後,養分進入消化系統中開始被消化,當養分中的葡萄糖被小腸吸收後,就流入血液中,此時造成血糖濃度偏高,而偏高的血糖,會抑制升糖素與腎上腺素的分泌,同時刺激胰臟分泌胰島素,胰島素可以促使細胞利用血液中的葡萄糖,並將葡萄糖轉變成肝糖而儲存,能降低血糖回到恆定範圍。

3) 接近午餐階段:

在此階段的血糖因胰島素、升糖素共同的抗作用,使血糖維持在恆定範圍內,變動較小。需等待午餐過後,血糖升高才需要再次的調控。如果激素分泌的時間適當且適量,血糖就能維持恆定。但是若胰島素分泌不足、升糖素分泌過多或是細胞對胰島素的敏感度降低,便會影響血糖的恆定,造成血糖濃度過高,形成「糖尿病」。糖尿病病人身體細胞長期處於高血糖的狀態,易造成眼睛、腎臟、神經等器官的病變,危害相當大,需要特別注意血糖的控制。

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