1789年/气体交换

安托万—洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier,1743—1794）

图中，一条金鱼正在积极地用它的鱼鳃进行氧气与二氧化碳的气体交换。

鱼类（约公元前5.3亿年），两栖动物（约公元前3.6亿年），新陈代谢（1614），光合作用（1845），酶（1878），线粒体和细胞呼吸（1925），能量平衡（1960）

1789年，法国贵族及化学家安托万·拉瓦锡证明了氧气和二氧化碳在呼吸中的重要性，但这一成就并未能使这位现代化学先驱在1794年免除断头台的斩首之刑。在诸如碳水化合物和脂肪之类的高能化合物新陈代谢中，以及在细胞呼吸过程的化学反应中，这些气体究竟起到了什么样的作用，关于这方面的描述出现在20世纪。

从单细胞的细菌到哺乳动物，所有生物体的呼吸过程都包括气体的交换，这些气体从相反的方向通过呼吸界面，在外界环境与机体内部之间穿梭。呼吸需要输入氧气，并移除二氧化碳，最终完成新陈代谢。穿越呼吸界面的气体交换通过扩散作用进行，在这个过程中，气体从高浓度区域自动流向低浓度区域。这一过程在所有的物种间都很相似，只不过不同的物种有不同的呼吸界面。

对于如细菌一类的单细胞生物，气体可以轻易穿过它们的细胞膜。至于蚯蚓和两栖动物，气体则通过皮肤进行交换。昆虫的体表有呼吸孔，它们连接着被称为“气管”的呼吸管；鱼类只能呼吸融解于水中的氧气，当它们游动时，水流进它们的嘴，穿过鱼鳃，鱼鳃中有巨大的表面积可供气体扩散，并且也有丰富密集的毛细血管，当氧气从一个方向穿过鱼鳃时，血液中的二氧化碳则从反方向离开身体。在哺乳动物的身体中，氧气和二氧化碳都经由血液在全身运输，它们在相邻的毛细血管中进出，交换过程则在肺泡中进行，肺泡的呼吸界面总面积有网球场大小。

相比之下，植物在光合作用（光照下）中摄入二氧化碳，释放氧气，并在呼吸作用（黑暗中）中摄入氧气，释放二氧化碳。气体通过叶片底面的气孔扩散，而后穿过叶肉中的呼吸界面。■