探索生命《生物學》156-2
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1. 氣體交換的三個基本原則：一、氣體交換「表面積」與有機體的「體積」大小有關。
2.
因為「活細胞」與「環境」之間的「氧氣」與「二氧化碳」交換，一定是以擴散作用進行。氣體從高濃度的地方流往低濃度的地方，因此，必須有足夠的「表面積」，讓氣體擴散穿越細胞膜。
3.
小型或扁平的有機體，其「表面積」與「體積」相比夠大，因此不需要特化的氣體交換表面，然而，隨著有機體的體積增加，呼吸作用的「表面積」與「體積」的比例就成問題。
4.
因為有機體的體型增加時，表面積增加的速度，低於體積增加的速度。表面積增加是平面函數的增加（2次方增加），體積增加是立體函數增加（3次方增加）。
5.
活動力強的動物，對這問題尤其敏感，牠們消耗能量的速度很快，所以每單位時間內每單位體積的需氧量很大。
6.
許多動物演化出不透水的身體表皮，這些動物的外皮演化成鱗片、羽毛、毛髮，功能是保護屏障脆弱的內在組織、器官，隔絕有害的外在環境。
7.
這種隔離性外皮，使氣體交換表面被限制在身體的某個區域，並且使氣體交換面積的問題，更為嚴重。
8.
二、保護脆弱的氣體交換表面，免於受到機械性傷害與乾燥的機制。氣體交換必須使「濕潤的細胞」與「環境介質」接觸，這個必要條件造成一些困擾，特別是對陸生有機體造成困擾。
9.
「濕潤的細胞膜」必須暴露在環境中以交換氣體，但接觸空氣的同時，必須減少細胞乾掉的機率，此外，大面積、薄、濕潤的氣體交換表面，通常很脆弱，容易受到物理性破壞，所以生物演化出保護機制。
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三、保持表面濕潤的機制。氣體要穿越細胞膜，必須先溶解在溶液裡，因此細胞膜必須保持濕潤。
11.
水生有機體，例如海綿、水母、扁蟲，要保持濕潤不是問題，因為他們身上的每個細胞，若不是直接浸泡在水中，就是只有部分細胞遠離水；
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可是生活在陸地的有機體，要保持氣體見表面濕潤卻是難題，因為水分持續地從表面蒸發流失，失去的水分必須補充回來，不然動物會乾死。
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除了以上三個基本條件，大部分動物的氣體交換器官還要符合第四個的條件：
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四、需要運輸氣體的機制，將氣體從「與環境接觸的交換表面」，輸送到更體內的細胞。
15.
大型動物另一個問題是，許多細胞在有機體很裡面的位置，遠離氣體交換表面。光靠擴散作用運送氣體太慢，這過程要跨越大量的細胞，這些細胞可能阻隔氣體分子沿著濃度梯度到較為遙遠的細胞。
16.
一般而言，只有當距離低於一毫米（一米的千分之一），物質才能以簡單擴散的方式，經由液態媒介輸送。因此，細胞間需要其他的機制運送氣體，通常這個機制就是血液循環系統。
17. 呼吸的氣體經由血液循環系統，從氣體交換表面，輸送到各個細胞，氣體交換表面佈滿血管，「氧氣」溶解於水或空氣，經由擴散作用，穿越表面細胞到「血流」，「血流」再將「氧氣」運送到身體各個細胞。
18. 呼吸作用產生的「二氧化碳」，以相反方向移動，從細胞進入血流，血流再回到氣體交換表面排出。無論是「氧」還是「二氧化碳」，都必須先溶解於水中，才能被血液吸收。
19. 動物特化的氣體交換表面可分為二類：內凹的invaginated表面，與外凸的evaginated表面，每一類還可在細分成多種樣式與細節；無論是何種系統交換系統，都只是滿足四個基本需求的一種表現。
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