第二十章 呼吸系统导论
学习目标
完成本章学习后，学生应能回答以下问题：
- 上呼吸道（upper airways）的主要功能是什么？下呼吸道（lower airways）的主要功能是什么？上下呼吸系统为实现这些功能存在哪些解剖适应特征？
- 肺循环与支气管循环在血流量、血压和解剖分布上有何差异？
- 自主神经系统如何调节气道直径、气道黏液分泌和肺循环？大流量气体运输是否属于自主调节过程？
- 传导性气道（conducting airways）与呼吸单位（respiratory units）在功能上有何区别？
- 副交感神经兴奋时呼吸系统会产生哪些应答？交感神经兴奋时呼吸系统会产生哪些应答？
- 肺发育在哪个年龄阶段完成？
肺的主要功能是气体交换，即将氧气（O2）摄入体内并排出二氧化碳（CO2）。本章概述肺的解剖结构与功能关系（包括上下呼吸道、支气管与肺循环系统、神经支配及呼吸肌）、肺发育（胚胎阶段及生命全程）以及肺修复机制。本章旨在提供呼吸系统的整体概念框架，而非对单个组件的全面阐述。
肺的解剖结构与功能关系
肺位于胸腔内，容积约4 L，其气体交换表面积约等于网球场大小（≈85 m²）。这一巨大表面积由数百万个独立运作的呼吸单位构成。与心脏不同但类似肾脏，肺具有功能统一性（functional unity）特征，即每个呼吸单位结构相同且功能等同。肺的分区及病变定位可通过解剖位置（如右上叶、左下叶）或影像学定位（如右上肺野、左下肺野）进行标识。理解呼吸生理及呼吸系统疾病引起的病理生理改变，必须掌握肺的解剖知识。
上呼吸道：鼻、鼻窦与咽
呼吸系统起始于鼻，终止于最远端的肺泡。因此，鼻腔、后咽部、声门与声带、气管以及气管支气管树的所有分支均属于呼吸系统组成部分。上呼吸道包含从鼻腔到声带的所有结构（包括鼻窦和喉），而下呼吸道则由气管、支气管气道和肺泡组成。上呼吸道通过增加湿度并在空气到达气管及更深部下呼吸道时将其温度调节至体温，从而对吸入气体进行"调节"。鼻腔还能过滤、捕获并清除吸入空气中粒径大于10~μm的颗粒。
鼻腔内壁由呼吸上皮细胞（respiratory epithelial cells）和散布其间的表面分泌细胞构成。这些分泌细胞产生重要的免疫球蛋白（immunoglobulins）、炎症介质（inflammatory mediators）和干扰素（interferons），构成宿主呼吸道的第一道防御屏障。
鼻旁窦（paranasal sinuses）（额窦、上颌窦、蝶窦和筛窦）内衬纤毛上皮细胞，环绕于鼻道周围（图20.1A）。纤毛促进黏液从上呼吸道排出，约每15分钟清洁一次主要鼻道。鼻旁窦的功能包括：(1) 减轻颅骨重量；(2) 保护大脑免受前方创伤；(3) 为嗓音提供共鸣。覆盖其表面的液体持续从鼻窦向鼻腔移动。某些鼻窦（如上颌窦）的开口（ostium）位于窦腔上缘，导致液体引流困难。鼻部水肿可能使开口狭窄或完全闭塞，从而引发分泌物潴留，最终导致继发感染（鼻窦炎）。
成人鼻腔容积约为15至20mL，但通过鼻甲（nasal turbinates）（三组连续带状组织突入鼻腔，见图20.1B）可使表面积大幅增加至约160~cm2。鼻腔具有嗅觉功能，上鼻甲上方鼻腔顶部的神经末梢通过筛板将冲动传导至嗅球。
咽部分为三个区域：鼻咽部（nasopharynx）、口咽部（oropharynx）和喉咽部（laryngopharynx）。这些区域内的关键结构包括会厌（epiglottis）、声带（vocal cords）以及与声带相连的杓状软骨（arytenoid cartilage）（见图 20.1C）。鼻咽部（宽 2{-}3cm，长3–4 cm）位于最前侧，鼻腔后方，内含少量淋巴组织团块（腺样体，adenoids），亦称咽扁桃体（pharyngeal tonsils）。这些组织属于免疫系统的一部分，构成了咽喉、鼻腔与耳部之间淋巴液的引流通路。这一结构网络既能帮助抵御感染，但也常成为感染症状的易发部位。
鼻咽部通过咽鼓管（Eustachian tubes）与中耳腔相连。咽鼓管的作用是平衡中耳与外界气压（通过咽部通路）。若鼻咽部发生炎症，咽鼓管可能变窄或阻塞，导致液体引流与气压平衡功能受损，进而引发咽鼓管功能障碍症状。
软腭（soft palate）将鼻咽部与口咽部分隔。口咽部延伸至会厌处终止，喉咽部则始于会厌并延伸至食管。喉咽部的主要功能是调节食物进入食管与空气进入肺部的通路。某些感染或反复刺激可导致这些结构水肿，显著增加气流阻力。会厌和杓状软骨（连接于声带）在吞咽时覆盖或形成声带的保护罩。因此，在正常情况下，会厌与杓状软骨能防止食物和液体误吸入下呼吸道。咀嚼（chewing）后的吞咽动作通常发生于2秒内，并与协调气道开闭的肌肉反射密切同步——空气被允许进入下呼吸道，而食物与液体则被阻隔。某些神经肌肉疾病患者因肌肉反射异常可能丧失这种协调的吞咽机制，处方药及娱乐性药物也可能损害这些肌肉反射。若协调性吞咽机制受损，食物与液体误吸风险将增加，进而可能导致肺部感染（肺炎，pneumonia）或肺部炎症（肺炎症，pneumonitis）。
下呼吸道：气管、支气管、细支气管与呼吸单元
右肺位于右侧半胸腔(hemithorax)内，由两条叶间裂（interlobular fissures）（斜裂和水平裂）分为三个叶（上叶、中叶和下叶）。左肺位于左侧半胸腔内，由一条斜裂分为两个叶（上叶——包含舌状部（lingula，即上叶前部舌状突起）和下叶）（图20.2）。左右两肺均被覆一层称为脏层胸膜（visceral pleura）的薄膜。胸腔内壁则被另一层称为壁层胸膜（parietal pleura）的膜所覆盖。脏层胸膜与壁层胸膜的接触面可使肺在胸腔内扩张和收缩时平滑滑动，并形成一个潜在腔隙。正常情况下，该胸膜腔含有少于5mL的润滑性胸膜液。液体可通过多种病理机制进入此腔隙形成胸腔积液（pleural effusion），若液体继发感染则形成脓胸（empyema）。空气也可因手术、创伤或部分肺泡自发破裂进入脏层与壁层胸膜之间的胸膜腔。胸膜腔内的空气称为气胸（pneumothorax）。无论是气胸还是胸腔积液，呼吸肌都无法有效形成胸内负压梯度，导致呼吸功增加。严重时可能发生呼吸窘迫或呼吸衰竭。
气管分支形成两个主支气管（mainstem bronchi）（图20.3）。这些主支气管随后像树枝般分叉为肺叶支气管（lobar bronchi）（每个肺叶各一支），后者进一步分叉为肺段支气管（segmental bronchi）（图20.4；另见图20.3），继而分叉为更细小的分支（细支气管bronchioles），最终终止于肺泡（alveolus）（图20.5）。支气管和细支气管不仅大小不同，在软骨存在与否、上皮类型及血液供应方面也存在差异（表20.1）。在肺段支气管以远，气道以二分叉或不对称分支模式分叉。通过大小和软骨存在而区分的支气管最终成为终末细支气管（terminal bronchioles），这是不含肺泡的最小气道。气道每分叉一次都会导致更多数量、更小直径的气道产生，因此下一代分支的总表面积会增加。终末细支气管终止于一组肺泡的开口（导管），此时称为呼吸性细支气管（respiratory bronchioles）。
由段支气管（segmental bronchus）供应的肺区称为支气管肺段（bronchopulmonary segment），是肺的功能解剖单位。由于其结构特点，发生不可逆病变的支气管肺段可被轻易手术切除。肺的基本生理单位是气体交换单位（gas-exchanging unit，呼吸单位），由呼吸性细支气管（respiratory bronchioles）、肺泡管（alveolar ducts）和肺泡（alveoli）组成（见图20.4和20.5）。含软骨的支气管与无软骨的终末细支气管（terminal bronchioles）（即无肺泡结构）共同构成传导性气道（conducting airways），负责将气体从气道运送至肺泡。该区域（体积约150 mL）不参与气体交换，称为解剖死腔（anatomical dead space）。当上呼吸道的空气调节能力不足时，此区域可进一步调节吸入空气。从呼吸性细支气管延伸至肺泡的区域是所有气体交换发生的场所。该区域长度仅约5毫米，但占据肺的最大体积（约2500 mL），在肺与胸壁处于静息容积时其表面积可达70 m²（见表20.1）。
肺泡呈多边形，直径约250~μm。肺泡腔占据肺容积的大部分；这些腔隙被统称为间质(interstitium)的组织所分隔。间质主要由肺胶原纤维构成，是液体和细胞可能积聚的空间。成人约有5×10^{8}个肺泡（图20.6），由I型(type I)和II型(type II)上皮细胞组成。正常情况下，I型与II型细胞以1:1的比例存在。
I型细胞占据肺泡表面积96%至98%，是气体交换的主要场所。I型细胞薄层状的细胞质为最佳气体扩散提供了理想条件。此外，I型细胞的基底膜与毛细血管内皮融合，最大限度地缩短了气体扩散距离，从而促进气体交换。
II型细胞呈立方状，通常位于肺泡的"角落"处，占据表面积2%至4%。在胚胎发育过程中，肺泡上皮完全由II型细胞组成，直到妊娠末期才分化为I型细胞，形成有利于最佳气体交换的"正常"肺泡上皮。此外，II型细胞合成肺表面活性物质(pulmonary surfactant)（见第21章）。肺表面活性物质可降低肺泡表面张力，减少可能导致肺泡脱气和塌陷的液体内聚力。
气体交换通过称为肺泡-毛细血管网络的密集网状结构在肺泡内进行。肺泡气体与红细胞之间的屏障仅厚1至2~μm，由I型肺泡上皮细胞、毛细血管内皮细胞及其各自的基底膜组成。O2和CO2通过被动扩散穿过该屏障。氧气扩散进入血液，随后进入红细胞（见第24章），并与血红蛋白结合。红细胞在0.75至1.0秒内通过该网络，这为CO2和O2的气体交换提供了充足时间。在毛细血管通过时间缩短（如心输出量增加）或肺泡-毛细血管网络功能受损（如肺气肿(emphysema)、间质性肺病(interstitial lung disease)）的情况下，通过时间可能不足以完成充分的氧扩散。
临床知识
传导性气道参与多种主要肺部疾病，这些疾病统称为阻塞性肺疾病（obstructive pulmonary disease）。阻塞性肺疾病包括哮喘（asthma）、细支气管炎（bronchiolitis）、慢性支气管炎（chronic bronchitis）、囊性纤维化（cystic fibrosis）和肺气肿（emphysema）。气道阻塞通常由黏液分泌增加、气道炎症和平滑肌收缩引起，也可能伴随软骨支撑结构的丧失。
哮喘是大小气道的慢性炎症性疾病，主要由淋巴细胞和嗜酸性粒细胞介导。其特征为气道黏液增多和可逆性气道平滑肌收缩（支气管痉挛，bronchospasm）。细支气管炎是细支气管的炎症性疾病，常见于婴幼儿，主要由呼吸道合胞病毒引起。慢性支气管炎常见于吸烟人群，表现为气道黏液分泌细胞增生、黏液分泌增加及反复气道感染。囊性纤维化是常染色体隐性遗传病，由编码氯离子通道的囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因突变引发。CFTR突变导致上皮细胞表面黏液层中氯离子和水分分泌减少，黏液黏度增加，最终引发黏液积聚和以铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）为主的慢性肺部感染。
值得注意的是，并非所有重要阻塞性肺疾病都直接累及气道。肺气肿是不可逆的阻塞性肺病，与吸烟密切相关。其发病机制涉及肺弹性组织进行性破坏伴肺泡/毛细血管结构丧失。组织破坏机制尚未完全阐明，可能与活化炎症细胞释放的蛋白水解酶及香烟烟雾中的毒性化合物有关。非吸烟者若长期暴露于职业或环境刺激物也可能患病。此外，遗传性α₁-抗胰蛋白酶缺乏症患者因弹性蛋白酶等蛋白水解酶的分解减少，同样易发肺气肿。
| 解剖部位 | 软骨 | 直径(mm) | 上皮类型 | 血供来源 | 肺泡存在 | 容积(mL) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 支气管 | 存在 | >1 | 假复层柱状上皮 | 支气管循环 | 无 | - |
| 终末细支气管 | 无 | <1 | 立方上皮 | 支气管循环 | 无 | >150 |
| 呼吸性细支气管 | 无 | <1 | Cuboidal/alveolar | 肺循环 | 有 | 2500 |
肺循环系统
肺的血液循环因其双重性及在低压下容纳大量血液的能力而独具特色。肺具有两个独立的血液供应系统：一个用于从肺摄取O₂并清除体内CO₂（肺循环），另一个为肺组织供氧（支气管循环；图20.7）。
肺循环
肺循环始于心脏右心房。来自右心房的脱氧血液通过三尖瓣进入右心室，随后在低压（9-24 mmHg）下经肺动脉瓣泵入肺动脉干。肺动脉干分支为右主肺动脉和左主肺动脉，分别向右肺和左肺输送脱氧血液。肺循环的动脉是体内唯一运输脱氧血液的动脉。肺动脉中的脱氧血液依次流经逐渐变细的分支血管——动脉（直径>500 μm）、小动脉（直径10-200 μm）和毛细血管（直径<10 μm），最终形成复杂的网状毛细血管系统。肺动脉的分支模式与气道分支模式一致。
肺循环系统的功能包括：(1) 将血液输送至肺泡-毛细血管网络（alveolar-capillary network）以实现O2和CO2的扩散；(2) 协助维持肺部液体平衡；(3) 向肺实质（lung parenchyma）输送代谢产物并从中移除代谢产物。红细胞在包裹肺泡的毛细血管中氧合，此处肺毛细血管床与肺泡在肺泡壁中以独特的结构结合，以实现最佳气体交换。气体交换正是通过这一肺泡-毛细血管网络完成（参见第24章）。
肺循环的总血容量约为500~mL，约占循环血量的10%。健康成人的肺泡-毛细血管网络中随时存在约75~mL的血液。肺毛细血管床是体内最大的血管床，覆盖面积达70至80m2，几乎与肺泡表面积相当。运动期间，由于肺循环血压和血流增加导致未使用的毛细血管被募集（recruitment），肺毛细血管血容量可从75~mL增加至200~mL。这种未使用毛细血管的募集是肺的独特特性，能够在生理应激（如运动）时期实现代偿。
氧合血液通过直径15-500~μm的小肺微静脉（pulmonary venules）和静脉网络离开肺泡。这些小血管迅速汇合形成更大的肺静脉（直径>500~μm），氧合血液由此返回心脏左心房（left atrium）。与紧密跟随气道分支模式的动脉（arteries）、微动脉（arterioles）及毛细血管不同，微静脉和静脉的走行与气道相距较远。肺静脉进入左心房的位置存在显著的解剖学变异。
肺循环的结构
肺循环的动脉壁薄，平滑肌极少。其顺应性（compliance）是体循环血管的七倍，且易于扩张。肺动脉血管的这种高顺应性使得血液能以低于体循环的压力流经肺循环。相比之下，体循环的动脉壁肌肉更发达且顺应性更低。正常情况下，肺循环的血管处于扩张状态，其直径大于体循环中对应的动脉。所有这些因素共同形成了高度顺应性、低阻力的循环系统，有助于通过右心室（right ventricle）相对较弱的泵血作用推动血液流经肺循环。
这种低阻力、低做功的系统也解释了为何右心室肌肉不如左心室发达。肺循环从肺动脉到左心房的压力梯度差仅为6~mmHg（肺动脉压力14~mmHg减去左心房压力8~mmHg）。相比之下，体循环的压力梯度差为87~mmHg（主动脉压力90~mmHg减去右心房压力3~mmHg）。
肺泡外血管、肺泡血管及肺微循环的结构
尽管在解剖学上界定不明确，但根据生理特性的差异，肺循环中的血管可分为三类（肺泡外血管、肺泡血管和微循环）。肺泡外血管（动脉、小动脉、静脉和小静脉）比体循环中的对应血管更粗大。它们不受肺泡压力变化的影响，但会受到胸膜内压和间质压力变化的调节。因此，肺泡外血管的管径受肺容积和肺弹性蛋白的影响。在高肺容积时，胸膜压的降低会增大肺泡外血管的管径；而在低肺容积时，胸膜压的升高则会减小血管管径。相比之下，肺泡毛细血管位于肺泡间隔内，它们对肺泡压力变化非常敏感，但对胸膜压或间质压力变化不敏感。正压通气（如机械通气）会增加肺泡压力并压迫这些毛细血管，从而升高肺动脉压并阻碍肺血流。肺微循环由参与液体和溶质交换的小血管组成，负责维持肺内液体平衡。
肺泡-毛细血管网络的结构
肺动脉的连续分支最终形成围绕肺泡的致密网状毛细血管。这一肺泡-毛细血管网络由肺泡的薄层上皮细胞、毛细血管内皮细胞及其支撑基质构成，其肺泡表面积约为 85m2。该肺泡-毛细血管网络的结构基质和组织成分为气道内气体与毛细血管内血液之间提供了唯一的屏障。这一厚度为 1 至 2~μm 的屏障细胞由 I 型肺泡上皮细胞与毛细血管内皮细胞背对背排列组成，两者仅被各自的基膜分隔（见图 20.6B）。由于大部分被空气包围，肺泡-毛细血管网络是气体交换的理想环境。红细胞以单列形式在不到 1 秒的时间内通过该网络的毛细血管部分，这段时间足以完成 CO2 和 O2 的气体交换。在代谢活动增强的情况下（如疾病、体力活动），心输出量增加，肺毛细血管通过时间缩短，血液流经肺毛细血管床的速度加快。若肺泡-毛细血管网络发生病变，可能导致氧气交换时间不足，从而引发低氧血症。
除气体交换外，肺泡-毛细血管网络还调节肺内液体量。在肺毛细血管水平，毛细血管壁两侧的静水压与胶体渗透压（oncotic pressure）平衡导致少量液体净流出血管进入间质间隙。随后，淋巴系统将液体从肺间质移除，并通过肺门区域的腔静脉重新进入循环。正常成年人中，平均每小时有 30mL 液体经此途径回到循环系统。
支气管循环
支气管循环（Bronchial circulation）是一个独立于肺循环（pulmonary circulation）的独特系统，负责向气管、支气管树、表面分泌细胞、腺体、神经、脏层胸膜表面、淋巴结、肺动脉和肺静脉提供含氧的体循环动脉血。支气管循环在结构上与体循环系统相似，主要灌注上呼吸道；其分布不延伸至终末细支气管（terminal bronchioles）、呼吸性细支气管（respiratory bronchioles）或肺泡。来自支气管循环毛细血管的静脉血通过真支气管静脉（true bronchial veins）或支气管肺静脉（bronchopulmonary veins）回流至心脏。真支气管静脉存在于肺门区域，血液经奇静脉（azygos）、半奇静脉（hemiazygos）或肋间静脉（intercostal veins）流入右心房。支气管肺静脉由支气管循环和肺循环血管的吻合支网络形成，其中混合了来自两个循环系统的血液。这些吻合血管的血液通过肺静脉返回左心房。约三分之二的支气管循环总血量通过肺静脉和该吻合途径回流至心脏。
支气管循环仅接收左心输出量约1%的血液；相比之下，肺循环几乎接收右心输出量的100%。在囊性纤维化（cystic fibrosis）等疾病状态下，支气管动脉会增大（肥大），其血流量可能达到心输出量的10%至20%。细菌感染导致的炎症性支气管组织侵蚀这些血管，是慢性支气管炎或囊性纤维化中可能发生咯血（hemoptysis，即咳血）的原因。
神经支配
呼吸是自主的，并受中枢神经系统（CNS）调控。肺的神经支配由外周神经系统（PNS）的自主神经系统（autonomic nervous system）负责，而后者受中枢神经系统控制（图20.8）。自主神经系统包含四个独立组分：副交感神经（parasympathetic）、交感神经（sympathetic）、非肾上腺素能非胆碱能抑制性神经（nonadrenergic noncholinergic inhibitory）[译者注：可以翻译为双非(误]和非肾上腺素能非胆碱能刺激性神经（nonadrenergic noncholinergic stimulatory）。
副交感神经系统受刺激会导致气道平滑肌收缩、血管舒张和腺体细胞分泌增加，而交感神经系统受刺激则引起气道平滑肌松弛、血管收缩和腺体分泌抑制（参见第26章，图26.1）。自主神经系统的功能单元由中枢神经系统内的节前神经元和节后神经元以及特定器官神经节中的节后神经元组成。与大多数器官系统一样，中枢神经系统和外周神经系统协同工作以维持稳态（homeostasis）。肺内无随意运动神经支配，亦无痛觉纤维。痛觉纤维仅存在于壁胸膜（parietal pleura），而不存在于脏胸膜（visceral pleura）。
肺的副交感神经支配起源于脑干的延髓（第X对脑神经，即迷走神经）。来自迷走神经核的节前纤维（preganglionic fibers）沿迷走神经下行至肺内邻近气道和血管的神经节。随后，来自神经节的节后纤维（postganglionic fibers）通过支配平滑肌细胞、血管和支气管上皮细胞（包括杯状细胞和黏膜下腺体）完成神经网络的构建。在肺中，节前和节后纤维均包含兴奋性（胆碱能（cholinergic））和抑制性（去甲肾上腺素能（noradrenergic））运动神经元。乙酰胆碱（acetylcholine）和P物质（substance P）是兴奋性运动神经元的神经递质；强啡肽（dynorphin）和血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide）是抑制性运动神经元的神经递质。通过迷走神经的副交感刺激负责维持正常静息状态下肺内平滑肌的轻微收缩张力。副交感纤维也支配支气管腺体，当这些纤维受刺激时，会促进黏液糖蛋白的合成，从而增加黏液的黏稠度。副交感神经支配在较大气道中最为密集，而在较小的传导性气道中最为有限。
副交感神经系统的反应具有高度特异性和局部性。相比之下，交感神经系统（sympathetic nervous system）的反应通常更为广泛。黏液腺和血管受到交感神经系统的密集支配，而气道平滑肌则不受其支配。肾上腺素能神经（adrenergic nerves）的神经递质包括去甲肾上腺素（norepinephrine）和多巴胺（dopamine）。刺激黏液腺中的交感神经会增加水分分泌。这会打破交感与副交感通路之间"增加水分分泌"和"增加黏液黏稠度"的平衡反应。除交感与副交感系统外，肺内上皮细胞和平滑肌细胞中还分布有传入神经末梢（afferent nerve endings）。
呼吸的中枢控制
呼吸是一个自动、节律性且受中枢调控的过程，同时可进行随意控制。中枢神经系统（CNS），尤其是脑干，是呼吸的主要控制中心（图20.9）。呼吸调节需要：（1）生成并维持呼吸节律；（2）通过感觉反馈环路和反射调节该节律，使其适应不同条件并最小化能量消耗；（3）募集能够进行适宜收缩以实现气体交换的呼吸肌。呼吸控制的详细机制将在第25章进一步阐述。
临床知识
阻塞性肺疾病患者常经历支气管痉挛（bronchospasm，由于支气管平滑肌收缩导致传导气道狭窄）或黏液分泌过多的发作。吸入支气管扩张剂可通过松弛支气管平滑肌发挥作用。短效化合物沙丁胺醇（Albuterol）可模拟交感神经系统内源性激活剂的作用，吸入后可快速降低气道平滑肌张力并引发支气管扩张。吸入性抗胆碱能药物如异丙托溴铵（ipratropium）通过阻断乙酰胆碱受体减少支气管收缩和气道黏液分泌。
呼吸肌
主要呼吸肌包括膈肌（diaphragm）、外肋间肌（external intercostal muscles）和斜角肌（scalene muscles），均为骨骼肌。骨骼肌为通气提供驱动力：其收缩力在拉伸时增强，缩短时减弱。呼吸肌的收缩力随肺容积增大而增强。
膈肌是最主要的呼吸肌，分隔胸腔与腹腔（图 20.10）。膈肌收缩迫使腹腔内容物向下前方移动，从而增加胸腔垂直径并建立胸腹压力差。成人膈肌在最大吸气努力时可产生高达 150 至 200~cmH2O的气道压力。平静呼吸（潮式呼吸）时膈肌移动约 1cm，深呼吸时可移动达 10cm。膈肌由左右膈神经支配，其神经根起源于脊髓颈段第3至第5节（C3–C5）。
其他重要吸气肌为外肋间肌（图 20.10），其收缩使肋骨在吸气时上提前移，导致胸腔横径和前后径增大。外肋间肌受同节段脊神经（T1和T2）发出的肋间神经支配。这些肌肉麻痹对呼吸影响有限，因呼吸主要依赖膈肌。故脊髓低位损伤者仍可自主呼吸，仅当损伤位于C3以上时需完全依赖机械通气支持。
辅助吸气肌（accessory muscles of inspiration）（包括提升胸锁乳突肌的斜角肌、引起鼻翼扇动的鼻翼肌，以及颈部和头部的小肌肉）在正常呼吸时不收缩。
但在运动时这些肌肉会强力收缩，当气道显著阻塞时，它们会主动上提胸廓。正常呼吸时，它们负责固定胸骨和上肋。由于上呼吸道在吸气时必须保持开放状态，咽壁肌肉（颏舌肌和杓状肌）也被视为吸气肌。所有胸廓肌肉均为随意肌，由肋间动脉和静脉供血，并受肋间运动神经和感觉神经支配。
正常呼吸时的呼气是被动的，但在运动和过度通气时会转为主动。最重要的呼气肌是腹壁肌肉（腹直肌、腹内斜肌和腹外斜肌、腹横肌）以及与肋间外肌起拮抗作用的肋间内肌（即将肋骨向下向内牵拉）。吸气肌承担呼吸做功。正常呼吸时，这种做功负荷较低，吸气肌具有显著储备。呼吸肌可通过训练承担更多工作，但其做功能力存在极限。呼吸肌无力可影响胸壁运动，而呼吸肌疲劳是导致呼吸衰竭发生的重要因素。
肺胚胎学、发育、衰老与修复
肺上皮起源于受精卵发育约22至26天时原始前肠的囊状突起。这一单一的肺芽分支形成原始的右肺和左肺。在接下来的2至3周内，通过进一步分支形成不规则的双分叉分支模式。病理学家Lynne Reid提出了"肺发育三定律"：(1) 支气管树在子宫内生活第16周时已发育完成；(2) 肺泡在出生后继续发育，其数量持续增加至8岁，而肺泡大小则持续增大直至成年期胸壁生长完成；(3) 腺泡前血管（动脉和静脉）的发育与气道平行，而腺泡内血管的发育则与肺泡平行。因此，妊娠16周前发生的宫内事件将影响气道数量。
先天性膈疝（congenital diaphragmatic hernia）是一种先天性肺疾病的典型例证。该畸形发生于妊娠6至8周，由胸腹膜管（pleuroperitoneal canal）未能闭合导致胸腹腔分隔失败所致；腹腔内容物进入肺半胸腔会引发肺发育异常，表现为气道和肺泡数量减少。在患病胎儿出生前，肺泡上皮仅由II型上皮细胞（type II epithelial cell）构成，直至出生后这些细胞才分化为I型上皮细胞（type I epithelial cell）。
影响神经信号传递至呼吸肌的疾病也可导致呼吸肌无力（如急性炎症性脱髓鞘性多神经病/吉兰-巴雷综合征、重症肌无力）。在这些疾病中，呼吸肌严重无力可能损害胸壁运动并导致呼吸衰竭，即使肺和胸壁的力学特性正常。
肺的生长与身长和体高的增长相似且相对成比例。其发育速度在新生儿期和青春期前（约11岁前）最快，且女性的肺成熟早于男性。尽管青春期后肺的增长率减缓，但身体和肺的尺寸仍持续稳定增长直至成年期。肺功能在生长发育的所有阶段均有提升；然而，一旦在成年早期（20-25岁）达到最佳尺寸后，肺功能会进入平台期并随年龄增长开始衰退。肺功能随年龄下降的速率估计为每年低于1%，但在吸烟或暴露于其他毒性环境因素的个体中，这种衰退开始更早且进展更快。由衰老引起的主要生理缺陷涉及通气能力（ventilatory capacity）和反应性，尤其在运动中，会导致通气异常但灌注正常的现象。此外，气体扩散能力随年龄下降，可能与肺泡表面积减少有关。肺功能与年龄相关的下降及结构改变，与肺内弹性蛋白（elastin）水平升高相平行，这可能解释部分功能异常。
细胞层面
I型细胞缺乏自由基清除剂（如超氧化物歧化酶【superoxide dismutase】），易受毒性氧化合物（如H₂O₂、OH⁻和O₂⁻）诱导的损伤和死亡。在各种炎症性肺病中，I型细胞死亡导致肺泡上皮剥脱，从而引起血管通透性增加、肺泡液积聚（气体交换受损）和肺泡表面活性物质系统破坏。II型细胞含有超氧化物歧化酶，因此对毒性氧自由基更具抵抗力。它们能存活并增殖分化为I型细胞，从而恢复正常肺泡结构。这种修复过程依赖于完整的基底膜以支持II型细胞增殖。若基底膜无法再生，则机体通过胶原沉积和瘢痕形成进行修复，但这种修复不利于气体交换。在涉及瘢痕形成的肺部疾病（如肺纤维化）中，由于肺泡丢失及增厚、非通透性基质阻碍O₂向毛细血管扩散，总肺容积减少。历史上，特发性肺纤维化因缺乏特异性抑制胶原沉积的疗法而极难治疗。临床试验显示两种治疗化合物（pirfenidone和nintedanib）可延缓疾病进展并改善患者结局。Pirfenidone是一种具有抗炎特性的小分子化合物（抑制I型和III型前胶原合成），nintedanib则是酪氨酸激酶抑制剂（抑制血管内皮生长因子和成纤维细胞衍生生长因子）。
临床联系
由于呼吸肌为通气提供驱动力，影响肺部力学特性的疾病也会累及呼吸肌。例如，在慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）中，因气流阻塞导致呼吸功增加。呼气不再是被动过程，而需要主动的呼气肌收缩。此外，肺总量（total lung capacity）增加（参见第21章）。增大的肺总量迫使膈肌下移，导致肌纤维缩短并减小膈肌曲率半径，从而降低膈肌功能与效率。与其他骨骼肌类似，当工作负荷增加时，呼吸肌也会发生疲劳。
关键要点
- 肺具有解剖和生理的统一性，即每个单元（支气管肺段【bronchopulmonary segment】）在结构和功能上与其他单元完全一致。
- 上呼吸道（鼻、鼻窦、咽）通过温度和湿度调节吸入空气，并通过会厌（epiglottis）控制空气进入肺部与食糜/液体进入食道的流动。
- 下呼吸道（气管、支气管、细支气管）的组成结构被视为传导气道，空气通过它们被输送至由呼吸性细支气管、肺泡管和肺泡组成的气体交换单元。
- 肺具有独特的双重循环系统。肺循环系统（pulmonary circulatory system）能够在低压下容纳大量血液，将右心室的脱氧血运送至肺部气体交换单元，并将氧合血返回左心房。支气管循环（bronchial circulation）起源于主动脉，为传导气道提供营养和氧气。
- 呼吸是自主过程；肺受周围神经系统（PNS）的自主神经支配，同时受中枢神经系统（CNS）调控。副交感神经刺激导致气道平滑肌收缩（气道狭窄），而交感神经刺激导致气道平滑肌舒张（气道扩张）。
- 吸气是呼吸的主动相。膈肌是主要的呼吸肌，其收缩在胸腔与膈肌之间产生压力差（机械感受器响应）（胸腔负压），从而引发吸气。
- 呼吸中枢位于延髓（medulla），通过感觉（机械感受器和化学感受器）反馈回路调节呼吸。