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編輯推薦: |
讲透人体九大系统的原理,做自己的医生和生理顾问!
掌握生理学常识,扫除日常病隐患!
读完就能贯通全身,对自己的身体了如指掌!
作者历任阳明大学生理研究所所长,韦恩州立大学、奥克兰大学客座教授,致力于科研科普数十载!
中科院上海生理研究所前所长、中国生理学会前副理事长梅镇彤诚意推荐!
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內容簡介: |
人为什么要睡觉?我们的梦境是彩色的吗?
为什么人不可能一直憋气?打嗝又是怎么回事?
高血压的成因为何?应该如何控制和治疗?
答案都包含在这座人体生理学的知识宝库中。
潘震泽教授通过解答日常生活中的生理现象和健康疑惑,将专业、硬核的生理学知识串联成一堂生动、系统的通识课程,读完后你不仅会对人类的各种生理现象豁然开朗,并且能系统地掌握人体各大系统的基本知识,还将打开一扇通往身体奥秘和生命奇观的大门。
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關於作者: |
潘震泽,台湾大学动物系硕士,美国韦恩州立大学生理学博士,曾任阳明大学生理学研究所所长,韦恩州立大学、奥克兰大学客座教授。现旅居美国,从事科普写作与翻译。著有《身体简史》《身体的奥秘》《生活无处不科学》等,译有《人体生理学》《潘多拉的种子》等。
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目錄:
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我的生理学启蒙(代序)
章 人体生理的奥秘
节 生命的道理——什么是生理学?
第二节 躯体的智慧——恒定的力量
第二章 分子生理学
节 遗传的秘密——什么是基因?
第二节 你不可不知的蛋白质
第三章 神经生理学
节 人体后的未知领域——让人之所以为人的大脑
第二节 生物电的奥秘——什么是细胞膜电位?
第三节 生物钟与生理周期
第四节 神经系统病变
第四章 感觉系统
节 你的感觉从何而来?感觉与知觉有何不同?
第五章 内分泌系统
节 内分泌腺体——什么是激素?
第二节 心理影响生理——神经内分泌学
第六章 循环系统
节 人体重要的运输管线——心血管系统
第二节 血压以及影响血压的因子
第七章 呼吸系统
节 吸气与呼气的奥秘——你还有“气”吗?
第二节 通气与循环——心肺本是一家人?
第八章 泌尿系统
节 人体的下水道——过滤器、蓄水池与排水管
第九章 消化系统
节 进食、消化、吸收与排泄——人之大欲
第二节 消化系统的神经与内分泌管理
第十章 生殖系统
节 性别决定
第二节 生殖系统的调控:青春期及女性生殖周期
第三节 乳房的美丽与哀愁
第十一章 免疫系统
节 身体的防御机制
第十二章 生理和疾病的关系
节 生理与病理
第二节 癌症的前世与今生
补充阅读 小议养生
人名总表
专业术语表
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內容試閱:
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躯体的智慧——恒定的力量
一以贯之的生理学中心思想
1940 年底,以提出“战斗或逃跑反应”“躯体的智慧”“内稳态”等观念而知名于世的哈佛大学生理学教授沃尔特?坎农(Walter B. Cannon,1871—1945),以即将卸任会长的身份在美国科学促进会(AAAS)年会中发表演说。坎农的讲题是“人体生理与政治体制”(The Body Physiologic and the Body Politic),他把人体比喻成社会;因此,生理之于人体,就等于政治之于社会。
任何模拟,都有它的好处,也有其限制。人体由亿万细胞组成,一如社会由千万人组成;人体细胞无法脱离个体而存活,一如现代人难以自绝于社会而独立生存;人体细胞经分化后就谨守岗位,各司其职,不再改变身份,以至于死,一如人在社会中各尽所能,各取所需;要是有细胞不安本分,任意复制并在全身乱窜,则将危及个体生存,一如人类社会不遵守法制的反社会人物,也会造成社会动荡不安。
人类社会的安定,从自发性的道德规范,到强制性的法令规章,都有赖社会成员的遵守,或是执法者的行使公权力。至于人体这个由细胞组成的小型“社会”,如何运作及维持稳定,可是困扰了东西方智者达数千年之久;前人提出过生命力、气血体液,或阴阳五行生克之道,来解释身体的运作,只不过都是想象重于事实,经不起验证。一直要到19 世纪中叶,法国生理学家克洛德?贝尔纳(Claude Bernard,1813—1878)才对人体的运作提出合理的解释。
贝尔纳的创见,是提出“内环境”这个观念。所谓内环境,指的是环绕在体内所有细胞外围的液体,又称为“细胞外液”;除了与细胞直接接触的组织间液外,在血管及淋巴管内流动的血液及淋巴液也包含其中。无论多细胞生物所处的外在环境如何变化,只要这个内在环境的温度、渗透压、酸碱值、养分、氧分压等维持稳定,每个身体细胞就都能生存,个体也就得以活着。
晓得了这一层,生物体内绝大多数的生理功能也就有了意义。譬如消化与呼吸系统负责把养分与氧带入体内,并连同泌尿系统将不用的废物排出体外,循环系统把各种物质送往全身各处,皮肤与免疫系统负责防御外侮,神经与内分泌系统则整合上述所有系统。
这些生理功能的终极目的,自然是维持个体的存活,但它们真正进行的工作,则是维持细胞外液这个内在环境的稳定,让体内每个细胞都活得健康。1926 年,坎农根据拉丁文词根铸造了“内稳态”(homeostasis)这个名词,来描述这个现象;八十多年来,内稳态已成了生理学当中一以贯之的中心思想。任何人只要了解内稳态的真谛,也就对生理的运作有了正确的认识。
动态的平衡
我们看到“内稳态”一词,难免想到恒常安定的状态,事实上,身体的内在环境可是瞬息万变,随时处于更新状态,而非毫无动静的一潭死水;宋儒朱熹的诗句“问渠哪得清如许,为有源头活水来”,就相当贴切地描述了恒定状态。
以体温为例:人体表面不断有热量流失到周遭的空气当中(由温差造成),新的热能也源源不绝地从每个细胞产生(尤以某些内脏组织及运动中的肌肉为),由血液循环在全身散布,如此人体温度才能维持在37摄氏度左右,不会直往下掉。
再以血液中葡萄糖(血糖)浓度为例:体内每个细胞随时都需要从血液中吸取葡萄糖,以供维生之需,因而造成血糖浓度的不断下降;同时,血液也从消化道(用餐后三四个小时内)、肝脏、脂肪、肌肉(用餐四小时后)等器官,不断取得新鲜葡萄糖供应,因此血糖浓度也得以维持在5 毫摩尔/ 升上下。
类似体温与血糖这种体内变数的例子还有很多,像血液的酸碱值(7.4),氧分压(100 毫米汞柱,由溶于动脉血的氧含量造成),渗透压(300毫渗透摩尔),与各种离子(钠、钾、钙等),养分(脂肪酸、氨基酸等),废物(例如尿素)以及激素(有上百种之多)的浓度都是;此外诸如血压(120/70 毫米汞柱)、心跳,甚至体重,都属于受内稳态控制的变量。这些变量的共同特征,就是不断地在某个设定值上下波动,而不是完全固定不变。因此,内稳态属于“动态”而不是“静态”的平衡。
事实上,许多人造的自动控制系统,都有人体稳态平衡系统的影子,譬如室内的恒温装置,就与体温控制类似。当我们在恒温器上设定好温度,只要室温高过该设定值,冷气就会自动开启,降低室温;等到室温降到了设定点,冷气也就自动关上。温带与寒带地区的暖气控制,也是一样,只不过冷气机换成了暖气机。
当然,身体的产热与散热,以及冷气暖气的开与关,靠的都不是什么心电感应,而是经由温度传感器在察知温度偏离设定点后,发出讯号进行的控制作用。由该讯号引发的机制,会让上升的温度下降,或是低落的温度回升;这种控制模式通称为“负反馈”。
因此,任何稳态平衡控制系统,都有几个必要的组成,像是能侦测变量变化的传感器、能调节设定值的整合器,以及能造成变量改变的作用器等。此外,传感器与整合器之间,以及整合器与作用器之间,还需要有传递信息的装置,缺一不可。
以人体而言,传感器包括分布全身的各式各样的感觉接受器;整合器以神经细胞与内分泌细胞为主;作用器包括肌肉与内外分泌腺体;传讯装置则以神经与血液循环为主。
因此,所谓健康,就是体内大多数的稳态平衡控制系统运作正常;所谓生病,也就是某些系统出了问题,无法完善控制。人从生到死,无时无刻不受到环境变化、创伤、感染、基因突变等内外冲击,人体也随时进行因应;除非冲击过猛过大,人体稳态平衡控制系统一般都承受得起长期及反复的压力刺激,而不至于生病。直到天年将届,问题才会逐渐呈现。要是年纪尚轻,身体就出了问题,除了先天遗传因素、感染病原体及受伤等因素外,多数是由于生活及饮食习惯不佳所引起,那自然是可以避免的。
失落的平衡
有则关于工程师的笑话,是说某民航机在飞行途中,引擎逐一失灵;机上有位工程师不断计算出飞机将延误抵达的时间,要其他乘客放心。等到四个引擎全部停摆,飞机开始往下掉时,该工程师还在计算,以致遭人讥笑。
上述笑话斧凿痕迹甚重,显然是刻意编撰来挖苦工程师的死板不知变通;但其中有点倒是不假:工程师在设计飞机、汽车、建筑或桥梁等与人身安全有关物件时,都有过度设计的情形。如笑话中所言,飞机就算只剩一个引擎在运转,还是可以设法安全降落;至于道路、桥梁、房屋等建筑尽量采用高安全系数,就更不用说了。
同样的观念,也适用于人体。人身上好些器官,譬如肺、肝、肾、性腺等,都有备份;就算少了一个或一部分,人还能活得好好的。至于只有独一份的器官,比如脑、心、胃肠道等,也都有相当大的储备缓冲功能,经得起部分损伤或功能下降,而不致危及性命。
在此举几个例子:因中风或脑瘤而伤及某些脑区的病人,手术后通常能够恢复大部分的脑部功能;局部冠状动脉阻塞,导致部分心肌梗死(俗称心脏病)的病人,只要抢救得宜,也都能存活并恢复健康。至于因各种理由切除部分消化或生殖管道的病人,更不会因此致命,这些都显示出人体构造的强韧。
话虽如此,设计再怎么完善的机械或建筑,碰上超乎寻常的外力,仍免不了损坏或倒塌;如果再加上年久失修,更是免不了出问题;这个道理,自然也适用于人体。比起人造物件来,人体还有项优势,就是身体组织拥有自行修补及更新的能力,这是靠活细胞的复制与适应所成就的。许多人肆意滥用身体这项功能,抽烟、喝酒、嗑药、纵欲、熬夜样样都来,以为休息过后,一切就会复原;等到身体储备功能给消耗得差不多了,毛病自然一一浮现。
人体的稳态平衡控制系统还有几项特性,值得一提;其中之一是许多设定点都可能改变,像是体温、血压、血糖血脂浓度以及体重等。除了体温外,其余的设定值发生改变(通常是升高)后,就不一定能够回复;身体在不正常的设定点下运作,将承受更大压力,时间长了也更容易出毛病。
其次,身体会依轻重缓急,优先维持某些变量的稳态平衡,而牺牲一些较不重要的,比如周边循环、消化与生殖功能。许多人未能认清此点,而让身体长期处于失衡状态,终究也是要生大病的。
坎农把体内稳态平衡控制系统称为“躯体的智慧”,十分贴切;问题是有再大的智慧,也经不起长年累月的滥用。许多人非要等到身体出了问题,才心生恐惧,想要用药物补救;这就好比孟子所说的“七年之病,求三年之艾”,只怕到时缓不应急,悔之已晚。
第二节 躯体的智慧——恒定的力量
一以贯之的生理学中心思想
1940 年底,以提出“战斗或逃跑反应”“躯体的智慧”“内稳态”等观念而知名于世的哈佛大学生理学教授沃尔特·坎农(Walter B. Cannon,1871—1945),以即将卸任会长的身份在美国科学促进会(AAAS)年会中发表演说。坎农的讲题是“人体生理与政治体制”(The Body Physiologic and the Body Politic),他把人体比喻成社会;因此,生理之于人体,就等于政治之于社会。
任何模拟,都有它的好处,也有其限制。人体由亿万细胞组成,一如社会由千万人组成;人体细胞无法脱离个体而存活,一如现代人难以自绝于社会而独立生存;人体细胞经分化后就谨守岗位,各司其职,不再改变身份,以至于死,一如人在社会中各尽所能,各取所需;要是有细胞不安本分,任意复制并在全身乱窜,则将危及个体生存,一如人类社会不遵守法制的反社会人物,也会造成社会动荡不安。
人类社会的安定,从自发性的道德规范,到强制性的法令规章,都有赖社会成员的遵守,或是执法者的行使公权力。至于人体这个由细胞组成的小型“社会”,如何运作及维持稳定,可是困扰了东西方智者达数千年之久;前人提出过生命力、气血体液,或阴阳五行生克之道,来解释身体的运作,只不过都是想象重于事实,经不起验证。一直要到19 世纪中叶,法国生理学家克洛德·贝尔纳(Claude Bernard,1813—1878)才对人体的运作提出合理的解释。
贝尔纳的创见,是提出“内环境”这个观念。所谓内环境,指的是环绕在体内所有细胞外围的液体,又称为“细胞外液”;除了与细胞直接接触的组织间液外,在血管及淋巴管内流动的血液及淋巴液也包含其中。无论多细胞生物所处的外在环境如何变化,只要这个内在环境的温度、渗透压、酸碱值、养分、氧分压等维持稳定,每个身体细胞就都能生存,个体也就得以活着。
晓得了这一层,生物体内绝大多数的生理功能也就有了意义。譬如消化与呼吸系统负责把养分与氧带入体内,并连同泌尿系统将不用的废物排出体外,循环系统把各种物质送往全身各处,皮肤与免疫系统负责防御外侮,神经与内分泌系统则整合上述所有系统。
这些生理功能的终极目的,自然是维持个体的存活,但它们真正进行的工作,则是维持细胞外液这个内在环境的稳定,让体内每个细胞都活得健康。1926 年,坎农根据拉丁文词根铸造了“内稳态”(homeostasis)这个名词,来描述这个现象;八十多年来,内稳态已成了生理学当中一以贯之的中心思想。任何人只要了解内稳态的真谛,也就对生理的运作有了正确的认识。
动态的平衡
我们看到“内稳态”一词,难免想到恒常安定的状态,事实上,身体的内在环境可是瞬息万变,随时处于更新状态,而非毫无动静的一潭死水;宋儒朱熹的诗句“问渠哪得清如许,为有源头活水来”,就相当贴切地描述了恒定状态。
以体温为例:人体表面不断有热量流失到周遭的空气当中(由温差造成),新的热能也源源不绝地从每个细胞产生(尤以某些内脏组织及运动中的肌肉为),由血液循环在全身散布,如此人体温度才能维持在37摄氏度左右,不会直往下掉。
再以血液中葡萄糖(血糖)浓度为例:体内每个细胞随时都需要从血液中吸取葡萄糖,以供维生之需,因而造成血糖浓度的不断下降;同时,血液也从消化道(用餐后三四个小时内)、肝脏、脂肪、肌肉(用餐四小时后)等器官,不断取得新鲜葡萄糖供应,因此血糖浓度也得以维持在5 毫摩尔/ 升上下。
类似体温与血糖这种体内变数的例子还有很多,像血液的酸碱值(7.4),氧分压(100 毫米汞柱,由溶于动脉血的氧含量造成),渗透压(300毫渗透摩尔),与各种离子(钠、钾、钙等),养分(脂肪酸、氨基酸等),废物(例如尿素)以及激素(有上百种之多)的浓度都是;此外诸如血压(120/70 毫米汞柱)、心跳,甚至体重,都属于受内稳态控制的变量。这些变量的共同特征,就是不断地在某个设定值上下波动,而不是完全固定不变。因此,内稳态属于“动态”而不是“静态”的平衡。
事实上,许多人造的自动控制系统,都有人体稳态平衡系统的影子,譬如室内的恒温装置,就与体温控制类似。当我们在恒温器上设定好温度,只要室温高过该设定值,冷气就会自动开启,降低室温;等到室温降到了设定点,冷气也就自动关上。温带与寒带地区的暖气控制,也是一样,只不过冷气机换成了暖气机。
当然,身体的产热与散热,以及冷气暖气的开与关,靠的都不是什么心电感应,而是经由温度传感器在察知温度偏离设定点后,发出讯号进行的控制作用。由该讯号引发的机制,会让上升的温度下降,或是低落的温度回升;这种控制模式通称为“负反馈”。
因此,任何稳态平衡控制系统,都有几个必要的组成,像是能侦测变量变化的传感器、能调节设定值的整合器,以及能造成变量改变的作用器等。此外,传感器与整合器之间,以及整合器与作用器之间,还需要有传递信息的装置,缺一不可。
以人体而言,传感器包括分布全身的各式各样的感觉接受器;整合器以神经细胞与内分泌细胞为主;作用器包括肌肉与内外分泌腺体;传讯装置则以神经与血液循环为主。
因此,所谓健康,就是体内大多数的稳态平衡控制系统运作正常;所谓生病,也就是某些系统出了问题,无法完善控制。人从生到死,无时无刻不受到环境变化、创伤、感染、基因突变等内外冲击,人体也随时进行因应;除非冲击过猛过大,人体稳态平衡控制系统一般都承受得起长期及反复的压力刺激,而不至于生病。直到天年将届,问题才会逐渐呈现。要是年纪尚轻,身体就出了问题,除了先天遗传因素、感染病原体及受伤等因素外,多数是由于生活及饮食习惯不佳所引起,那自然是可以避免的。
失落的平衡
有则关于工程师的笑话,是说某民航机在飞行途中,引擎逐一失灵;机上有位工程师不断计算出飞机将延误抵达的时间,要其他乘客放心。等到四个引擎全部停摆,飞机开始往下掉时,该工程师还在计算,以致遭人讥笑。
上述笑话斧凿痕迹甚重,显然是刻意编撰来挖苦工程师的死板不知变通;但其中有点倒是不假:工程师在设计飞机、汽车、建筑或桥梁等与人身安全有关物件时,都有过度设计的情形。如笑话中所言,飞机就算只剩一个引擎在运转,还是可以设法安全降落;至于道路、桥梁、房屋等建筑尽量采用高安全系数,就更不用说了。
同样的观念,也适用于人体。人身上好些器官,譬如肺、肝、肾、性腺等,都有备份;就算少了一个或一部分,人还能活得好好的。至于只有独一份的器官,比如脑、心、胃肠道等,也都有相当大的储备缓冲功能,经得起部分损伤或功能下降,而不致危及性命。
在此举几个例子:因中风或脑瘤而伤及某些脑区的病人,手术后通常能够恢复大部分的脑部功能;局部冠状动脉阻塞,导致部分心肌梗死(俗称心脏病)的病人,只要抢救得宜,也都能存活并恢复健康。至于因各种理由切除部分消化或生殖管道的病人,更不会因此致命,这些都显示出人体构造的强韧。
话虽如此,设计再怎么完善的机械或建筑,碰上超乎寻常的外力,仍免不了损坏或倒塌;如果再加上年久失修,更是免不了出问题;这个道理,自然也适用于人体。比起人造物件来,人体还有项优势,就是身体组织拥有自行修补及更新的能力,这是靠活细胞的复制与适应所成就的。许多人肆意滥用身体这项功能,抽烟、喝酒、嗑药、纵欲、熬夜样样都来,以为休息过后,一切就会复原;等到身体储备功能给消耗得差不多了,毛病自然一一浮现。
人体的稳态平衡控制系统还有几项特性,值得一提;其中之一是许多设定点都可能改变,像是体温、血压、血糖血脂浓度以及体重等。除了体温外,其余的设定值发生改变(通常是升高)后,就不一定能够回复;身体在不正常的设定点下运作,将承受更大压力,时间长了也更容易出毛病。
其次,身体会依轻重缓急,优先维持某些变量的稳态平衡,而牺牲一些较不重要的,比如周边循环、消化与生殖功能。许多人未能认清此点,而让身体长期处于失衡状态,终究也是要生大病的。
坎农把体内稳态平衡控制系统称为“躯体的智慧”,十分贴切;问题是有再大的智慧,也经不起长年累月的滥用。许多人非要等到身体出了问题,才心生恐惧,想要用药物补救;这就好比孟子所说的“七年之病,求三年之艾”,只怕到时缓不应急,悔之已晚。
第三节 生物钟与生理周期
生物体内有个时钟的说法,由来已久,从浮游生物的定时升降、植物叶片的日夜开阖、日行动物的日出而作日落而息与夜行动物的反向行为,到植物开花、动物发情与候鸟迁徙总在一年当中特定季节发生,这些都显示生物能察知一天或一年当中的时间,并做出适当的行为反应。
至于人类,也属于日行动物,随着太阳的起落而作息;只不过人天生不愿受到束缚,甚至还有改造及征服自然的欲望。古人嫌日短夜长,故思秉烛夜游;等到电灯发明后,今人更是不受黑夜的限制,想多晚睡都可以。可惜人体这个经百万年演化出来的构造,至今仍未能脱离自身的限制,醒着的时间久了,终究会不支倒地,昏睡过去。
地球生物的作息,少不了与地球的自转与公转周期产生同步,不能做到这点的生物,不是找不到食物,就是成为猎物,或受严寒酷热所害,也就活不下来。有关昼夜及季节变化直接的信息,就是日照的有无及时间的长短,因此,不同生物在不同时候利用不同机制,都发展出对光敏感的接受器(通称为“眼睛”),除了让生物“看见”周遭环境外,还可用来计时。
研究人员发现,光觉讯号由眼球后方的视网膜接收后,除了沿着视神经送往大脑后方的视觉皮质外,在视神经交叉(optic chiasma)的上方有对神经核,也接收了视神经分支的投射。这对称作“视交叉上核”(suprachiasmatic nucleus)的组织,与视觉的生成无关,但与生物的周期控制有关,也就是俗称“生物钟”的所在。
证实视交叉上核就是生物钟的动物实验多不胜数,从活体到离体的实验都有。基本上,视交叉上核里的神经元具有类似节律器(pacemaker)的性质,无论在放电频率及代谢率上,都呈现自发性的周期变化,就算处于与外界环境完全隔绝、“没法感知时间”(time-free)的情况下,也能运作无碍。如果将视交叉上核以手术破坏,生物的周期就会变得紊乱,也不能与外在时间产生同步。
这种体内自发性的周期,与地球的自转周期相当,故称“昼夜节律”(circadian rhythm)。一般而言,人体内生的昼夜节律要比24 小时来得长一些,故此不时需要接收光照信息,做些调整;这样的过程称为“同步化”(entrainment)。
视交叉上核位于脑中一块称为下丘脑的脑区,下丘脑则是体内自主与恒定功能的控制中枢,脑垂体(pituitary gland)的上级指导员,举凡体温调节、体液平衡、能量代谢、睡醒周期、危机因应、生长生殖等,都受下丘脑的神经细胞控制,也与视交叉上核有所联系,故此也都呈现周期变化的特性。
此外,视交叉上核经由一条相当复杂的神经通路,还控制了脑中的松果体(pineal gland);松果体分泌的褪黑激素(melatonin)是体内另一个重要的周期节律调控因子。在白日接受光照的刺激时,视交叉上核抑制了褪黑激素从松果体的分泌;天黑后,视交叉上核不再接收光信息,褪黑激素的分泌则有大幅增加。体内褪黑激素量出现上升的时刻与持续的期间,可作为日夜长短的依据;季节性生殖与迁徙的动物,靠的就是这个信息。
至于褪黑激素在人身上的作用,仍有许多争议;支持者提出褪黑激素有帮助入眠、调整时差、抗氧化及增进免疫等功能。由于褪黑激素可由体内自行分泌,是否需要从外补充,补充量过多是否有副作用或反效果,还需要更多的研究。
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