第一部分
人體生理學
生理學的範疇非常廣泛，必須了解的知識非常多。本書第一部分擷取其中最基本的重點項目進行介紹。
血液是來自太古的海水
人體的水分
首先讓我們從人體中的水分談起，作為生理學簡介的開端。運動時會流汗，口渴時要喝水。我們體內的水分有什麼特性呢？回答這個問題之前，首先要介紹構成人體的細胞。
●細胞的起源
很久很久以前，在地球上還沒有任何生物，接著突然有一天，生物就此誕生。這個生物誕生在哪裡呢？是誕生在海洋中。當時海水的成分與現在幾乎一樣，主要是氯化鈉（NaCl），但濃度比較低，可能只有大約0.9%，而現在的海水是3%左右。
→古代海水的主成分是氯化鈉，濃度0.9%。
最早的生物由單一個細胞構成，也就是所謂的單細胞生物。細胞內部成分與周遭海水最大的差異是什麼呢？主要的差異是細胞內部液體的主成分是鉀離子（K+），而海水的主成分則是鈉離子（Na+）。第一個誕生的生物就像是裝著鉀溶液的袋子懸浮在鈉溶液中（圖1），兩種溶液的分界線是構成袋子的薄膜，稱為細胞膜。
→細胞內主要含有鉀離子，細胞外主要含有鈉離子。兩者的分界線是細胞膜。
●多細胞生物的起源
這些海中的生物，最後終於來到陸地上。對於原先一直待在海水中的細胞來說，周圍的海水全部換成了空氣，恐怕很難適應吧。請想像這些海中的生物帶著周圍的海水一起往陸地移動的樣子，牠們將海水包入自己的體內。因此，登上陸地的生物體內具有細胞內與細胞外兩種液體。細胞內是以鉀離子為主的液體，而細胞外的體液則和古代的海水一樣，是以鈉離子為主的液體。而生物登上陸地的過程中，同時也伴隨著眾多細胞集合形成多細胞生物的演化過程，一樣具有細胞外液。多細胞生物就好像是一個裝著細胞外液的大袋子中裝著多個細胞。
→細胞內含有細胞內液，細胞外有細胞外液。
將以上內容作個總結。細胞就像是裝著鉀溶液的小袋子，而多細胞生物是許多小袋子裝在充滿海水的大袋子中，海水的主成分是鈉離子。小袋子就是細胞膜，大袋子對人類來說就相當於皮膚。有了這個裝滿海水的大袋子，生物無論是在空氣、純水，或是現代濃度較濃的海水中，都可以存活。
→不管在怎樣的環境中，生物的細胞四周都有著相同的細胞外液。
●血液的起源
當生物演化成為多細胞生物之後，為了將氧氣、營養、廢物有效率地由近端的細胞運輸到遠端的細胞，其中一部分的細胞外液發展為循環。而用於循環中的細胞外液就是血液，血液中的鹽分比例和細胞外液大致是相同的。
→血液是用於循環的細胞外液，主成分為鈉離子。
血液和細胞外液不同，必須有效率地運送氧氣、營養與廢物，血液中含有細胞外液中沒有的蛋白質和血球，可以提高運輸能力。換言之，血液就是細胞外液再加上蛋白質與血球。
→血液＝細胞外液＋蛋白質＋血球
●鈉與鉀
接著讓我們討論細胞外液和細胞內液的成分差異。細胞外液中的鈉離子較多，但細胞內則幾乎沒有。分隔細胞內外的細胞膜上，具有許多微小的間隙，用比喻來說的話比較像很密的紗窗，而不是像塑膠袋一樣的材質（圖2），所以鈉離子這類微小的粒子可以順利的通過細胞膜。理論上，鈉離子應該會從濃度較高的細胞外液流入濃度較低的細胞內，事實上也是如此。但如果這樣的話，細胞中的環境就不會是鉀離子比較多了，這是因為細胞也會主動將流入細胞中的鈉離子排出細胞外。這個過程對於細胞來說是很吃重的工作，細胞使用的所有能量大約有三分之一是消耗在這上面。換言之，「細胞並不只是裝著鉀離子的袋子，而是有生命的」，證據就是鈉離子會被排出細胞外。相反地，細胞死亡之後就沒辦法將流入的鈉離子排到細胞外，造成鈉離子累積在細胞中。
→活細胞會不斷將鈉離子排出細胞外。
前一段說明時只有提到鈉離子，實際上細胞排出鈉離子的時候，同時也會將鉀離子吸收到細胞內。也就是說不光是排出鈉離子，更精確的描述是交換鈉離子與鉀離子，最後維持細胞內的鈉離子濃度低、鉀離子濃度高。
→細胞會以交換鈉離子和鉀離子的方式，將鈉離子排到細胞外。
提高細胞內的鉀離子濃度有什麼好處呢？最大的重點是可以製造細胞內外的電位差。肌肉收縮或是神經興奮的機制，全部都來自電位差的高低變化。也就是說，肌肉細胞和神經細胞會藉由將鈉、鉀、鈣離子送出或送入細胞，產生肌肉收縮或神經興奮。
→肌肉細胞與神經細胞藉由離子的進出產生收縮或興奮。
●脫水
體內水分不足的狀態稱為脫水。人體中的水分可分為細胞內液和細胞外液，脫水也可分為細胞內液的水分不足或是細胞外液的水分不足兩種。血液之中當然也有水分，在探討脫水時，可暫時先將血液視為細胞外液來討論。
→體內水分不足的狀態稱為脫水。
細胞內液不足，也就是全身細胞內的水分不足。皮膚細胞的水分不足時，皮膚會乾裂。水分攝取的調節是由腦細胞負責，當這些腦細胞中的水分不足時，我們就會感覺到口渴。細胞外液不足時，血壓（p.62）會降低，類似於大量出血的情況。實際上發生脫水時，通常細胞內液和細胞外液都會不足，只是減少的程度上有差異。治療脫水的方式是補充水分，視情況而定，有時不光是要補充水分，還要同時給予鹽分。
→脫水可分為細胞內液不足或細胞外液不足。
如果不幸遇難漂流在太平洋上，感覺口渴的時候可以直接喝海水嗎？讓我們看看喝了海水會發生什麼事。喝下的海水首先會混入細胞外液，海水鹽分的濃度大約是細胞外液的三倍。將三倍濃的液體加入細胞外液中，會讓細胞外液的鹽分濃度升高，使得細胞內的水分被拉到細胞外。因此細胞內液的水分反而會減少，感覺更渴。換句話說，口渴的時候喝海水反而會造成反效果。這就跟攝取過量鹽分會造成口渴是一樣的道理。
→喝海水會讓細胞內的脫水更加嚴重，感覺更渴。
骨骼製造血液~血液 1
血球的種類與功能
●血液的成分
血液可以說是細胞外液的好兄弟（p.3），但是血液還具有許多細胞外液沒有的功能，是細胞外液再加上蛋白質與血球。血液的功能包括運輸、免疫、止血等作用。由血液負責運輸的物質包括氧氣、營養、廢物，此外還能運輸熱能。
→血液=細胞外液+蛋白質+血球
血球也就是血液中的細胞，有紅血球、白血球、血小板三大類。紅血球大約占血液容積的40~50%，換句話說，血液中的液體（非血球的部分）大約只占整體的50~60%，所以血液非常的黏稠，而且很容易凝固。血液的液體成分稱為血漿，血漿也就是細胞外液加上大量的蛋白質。
各位可以想像在量筒之中加入55毫升的水，再倒入彈珠直到液面到達100毫升為止的樣子（圖1）。水就相當於血漿，彈珠相當於血球。
→血液=血漿+血球，血漿=細胞外液+蛋白質
●血液中的細胞：血球
接著讓我們先從血球開始探討。製造血球的過程稱為造血，而血球是由骨髓產生的。形狀扁平（扁平骨）與細長的骨頭（長骨）可以造血（圖2）。具有代表性的扁平骨包括骨盆與胸骨，長骨的代表則是股骨等手腳的骨頭。造血機能旺盛的扁平骨，骨髓會呈現紅色。而手腳骨骼比較少進行造血，骨髓會被脂肪取代，因此呈現黃色。以骨髓進行白血病（p.12）等疾病的檢查時，會將針刺入胸骨或骨盆（髂骨）中，採出裡面的骨髓。順帶一提，雖然原因不明，但癌症轉移至骨骼時通常會轉移至扁平骨，而骨肉瘤這種骨癌則通常發生在長骨。將骨骼分為這兩類有助於學習。
→骨髓負責造血。
血球可分為紅血球、白血球、血小板等三大類，而其中絕大多數是紅血球，可以說幾乎所有的血球都是紅血球。全部的血球都來自血液幹細胞這單一種細胞（圖3）。血液幹細胞接受到特定指令時就會變成紅血球，接收到另一種指令則會變成白血球。血液幹細胞轉變成紅血球等細胞的過程稱為分化（p.142）。體內負責傳遞分化指令的物質稱為細胞激素。能讓幹細胞分化為紅血球的細胞激素稱為紅血球生成素。
→紅血球、白血球、血小板等所有的血球都來自血液幹細胞。
●紅血球
紅血球不是球形，而是中間凹陷的圓盤狀。這樣的形狀可以增加紅血球的表面積，提高擷取氧氣的效率。扁平的形狀也比球體容易通過微血管。紅血球長邊的直徑大約是7.5μm（微米），微血管的內徑則大約是5μm（1μm是1mm的一千分之一）。
→紅血球的形狀表面積大，容易變形。
紅血球的作用是搬運氧氣。直接捕捉氧氣的是血紅素這種蛋白質，而紅血球就像是裝著血紅素的袋子。由於有血紅素的關係，血液容納氧氣的能力可提高到水的70倍左右。因為血紅素是紅色的，所以血液才會呈現紅色。將紅血球從血液中去除後，血液就會變成淡黃色。
→紅血球是裝著血紅素的袋子。
紅血球中沒有細胞核*。在骨髓中增生分化出來的紅血球（此時實際上尚未完成，不能稱為真正的紅血球），最後會去除細胞核後再離開骨髓進入血液中。由於沒有細胞核，所以無法繼續分裂增生，因此紅血球只能使用一次，壽命大約是120天，壽命終了的紅血球會在脾臟被破壞。身體會消耗大量的血球，骨髓也會非常活躍地不斷進行細胞的分裂增生。
→紅血球是沒有細胞核的細胞。
*細胞核位於細胞中，裡面充滿了核酸。核酸可分為DNA和RNA。DNA就像是細胞進行生命活動的指揮所。
血紅素中含有血基質與珠蛋白，血基質是一種含有鐵的色素，珠蛋白是蛋白質。紅血球壽命終了時，會在脾臟被破壞，將鐵和珠蛋白重複循環再利用。而血基質色素除了鐵以外的成分則會被代謝，形成膽紅素，從肝臟經由膽汁排出。膽紅素為咖啡色，因此膽汁也會呈現咖啡色、糞便也是咖啡色的。也就是說，糞便的顏色來自於血紅素中的色素。當某些原因造成血中的膽紅素增加，會讓皮膚也呈現咖啡色，這種病徵稱為黃疸（p.32）。
→糞便的顏色來自血液。
鐵是形成血紅素不可或缺的原料。缺乏鐵時，身體無法製造足夠的血紅素，就會造成貧血。人體可以將鐵完全循環再利用，因此健康的成年男性就算不特別注意攝取鐵質也不會缺鐵。但是女性因為月經出血的關係，因此容易產生缺鐵性貧血，尤其是孕婦或是發育中的兒童，因為血液量增加，所以必須補充鐵。多餘的鐵質會儲存在肝臟中，所以肝臟是富含鐵質的食物之一。菠菜等蔬果的鐵質含量雖然很高，但是可吸收的比例很低，因此想要補充鐵質時，還是肝臟的效果比較好。胃中的鹽酸會讓鐵質變成可被人體吸收的形式，所以接受過胃切除手術的人容易發生缺鐵性貧血。
→肝臟負責儲存鐵。
●白血球
接著來看看白血球。血液中的白血球數量只有紅血球數量的五百分之一以下，相當的少。白血球分為嗜中性球、嗜酸性球、嗜鹼性球、單核球、淋巴球等五種。一開始可以先熟悉嗜中性球、淋巴球，還有單核球。
嗜中性球平常儲存在骨髓中，當細菌等外來物質侵入體內時就會一口氣全體出動，供給大量的白血球。
→白血球儲存於體內，需要時可迅速進入血液中。
細菌侵入人體時，嗜中性球可以自行移動到有細菌的地方，接著將細菌吃掉之後殺死，也就是具有｢移動、吞噬、殺死」三種作用。嗜中性球會使用活性氧（p.181）殺死細菌。細菌一般位於血管外側，嗜中性球會順著血流來到細菌附近，再經由血管壁的縫隙穿出，彷彿有眼睛能看得見一樣，以阿米巴原蟲活動的方式朝著細菌移動。嗜中性球離開血管之後就無法再回到血管內。膿就是吞噬細菌後死亡的嗜中性球遺骸。嗜中性球就是這樣與細菌玉石俱焚，保衛我們的身體。
單核球會進入肺臟或肝臟等組織中，停留在裡面變成巨噬細胞。巨噬細胞幾乎不會離開所在的位置，但是吞噬細菌的能力優於嗜中性球。
→膿是吞噬細菌後死亡的嗜中性球遺骸。
白血球和紅血球一樣，都是來自骨髓中的血液幹細胞。幹細胞接收到分化成嗜中性球的指令（也就是細胞激素）之後，就會分化成嗜中性球，接收到分化為淋巴球的指令就會分化成淋巴球。剛由骨髓產生的淋巴球還不具有發揮作用的能力，必須先接受訓練。其中一個｢訓練所」是位於心臟前方的胸腺。在胸腺（Thymus）完成訓練的淋巴球稱為T淋巴球或T細胞。在其他部位接受訓練的淋巴球則稱為B淋巴球或B細胞。目前我們只知道鳥類體內訓練B細胞的位置，但人類的還不清楚。關於T細胞與B細胞的功能，會在「04 免疫的機制（p.20）」中說明。
→淋巴球必須先接受訓練，接著形成T細胞或B細胞。
在骨髓中，同時存在著淋巴球至嗜中性球等分化程度各異的白血球，此外還有尚未成熟與已經成熟等成熟度各異的白血球*。也就是說，骨髓中同時具有各式各樣的白血球。
白血病這種疾病是白血球細胞｢癌化」的疾病。骨髓中具有分化程度與成熟度各異的白血球，這些白血球都可能癌化，而白血病也隨著源頭白血球的分化程度與成熟度而具有各種不同的種類，治療方式也各有不同。大部分的白血病是血液中的白血球數增加，但也可能會減少。白血病的定義並不是「白血球增加的疾病」，而是「白血球癌化的疾病」，要小心不要誤解了。
→白血病只是一種統稱，可隨著白血球細胞的種類不同，而分為許多不同的種類。
※關於細胞的「分化、成熟」，請參閱第142頁。
備忘錄 白血病的分類法
白血病有許多不同的種類，目前國際上採取統一的分類方法。但是這種方式來自法國、美國、英國，並沒有日本的學者參與。希望日本的血液學家能再多加油。
●血小板
接下來是第三種血球，也就是血小板（圖4）。血液幹細胞接收到指令之後，可以分化成巨核球這種巨大的細胞。巨核球細胞質的其中一部分會在骨髓中碎裂形成血小板。血小板可說是長約1~3μm的細胞碎片。血小板也沒有細胞核，不能分裂增生，但仍然是有生命的細胞。血小板的粘性很高，當血管破裂時，大量血小板會附著在破裂的部位阻止出血。關於血液凝固的後續內容，我們之後（p.17）會再討論。
→血小板是細胞質的碎片，具有止血的作用。
●血型
什麼是血型呢？所有的細胞表面都帶有辨識自我身分的記號，如同辨識自己細胞的身分證。因此移植器官時才會產生排斥反應，無法直接融入體內。但是只有紅血球上的記號比較少，臨床上會造成問題的只有A和B（和Rh）。因此只要ABO血型相同時就可以輸血。如果把血液也當作一種器官，那麼輸血實際上也完全符合器官移植的定義。
→輸血也可說是移植紅血球。
紅血球表面同時具有A和B兩種記號時就是AB型，不帶有任何記號就是O型。另一種記號是Rh，有這個記號就稱為Rh陽性，沒有則是Rh陰性的紅血球。輸血時ABO血型和Rh血型都必須一致。另外，各位是否相信血型會影響個性的說法呢？可惜的是血型與個性的關聯始終只是假說，在醫學上尚未獲得證實。
→輸血時血型必須一致。
將凝固的血液再度溶解~血液 2
血液的液體成分
●血漿
血漿是血液中液體的部分，相當於在細胞外液中加上大量的蛋白質（p.7）。血漿中的蛋白質，依照性質可以分為兩大類（白蛋白與球蛋白）。白蛋白這個類別中，以血清白蛋白這種蛋白質占絕大多數，因此血清白蛋白也經常直接被稱為「白蛋白」，也就是白蛋白這個名詞可能是類別的總稱，也可能是單一種蛋白質的名稱。血漿中的蛋白質有一半以上是白蛋白（正確來說是血清白蛋白）。另一個類別球蛋白則有許多不同種類的蛋白質，最具有代表性的是免疫反應中的主角─抗體（又稱為免疫球蛋白，p.21）。
→血漿的蛋白質有一半以上是白蛋白。
血漿中實際上含有大量脂肪。脂肪本身完全無法溶於水。不溶於水的脂肪如果直接存在血液中，就會塞住血管，造成非常嚴重的後果。因此血液中的脂肪必須維持在可溶於水的狀態。舉牛奶為例子，各位可以看看牛奶的包裝，上面會記載著乳脂肪比例3.6%之類的數字，表示牛奶中也含有蠻多的脂肪。但即使將牛奶靜置一段時間，脂肪也幾乎不會分層浮到液體表面，這就表示這些脂肪是溶於水中的。其中的秘密就是有一層蛋白質包裹著脂肪，藉由蛋白質的作用溶於水中（類似清潔劑可以將油污溶解在水中的原理）。血液也是一樣的，血漿中含有可以和脂肪結合的蛋白質，這些蛋白質與脂肪結合後，脂肪就會變成可溶的狀態。血液與脂肪的關係請繼續參閱〈07 膽固醇（p.37）〉。
→脂肪與蛋白質結合後溶於血漿中。
除了脂肪之外，還有非常多的物質是以和蛋白質結合的形式存在於血漿中。這是因為這些物質必須被運送到體內的其他地方，但如果直接釋放到血液中會造成不好的影響，所以不能直接釋出。為了確保安全，人體的策略方針就是用血漿的蛋白質將這些物質包裹起來。舉例來說，鐵質就是如此，在血液中的鐵質一定是呈現與蛋白質結合的狀態。
→血漿中的蛋白質也具有運輸的作用。
●滲透壓
接著讓我們來探討滲透壓。滲透壓的概念可能稍微有些難以理解，如果真的看不懂的話，跳過這一段也是沒有關係的。
讓我用食鹽水和水來說明。假設用一層薄膜分隔食鹽水與水，如果薄膜上沒有任何孔洞，那麼當然什麼事都不會發生。但是如果薄膜上有微小的孔洞，那麼兩邊的液體會趨向變成相等的濃度，因此食鹽水中的鈉離子會往水的方向移動，而水中的水分子也會往食鹽水的方向移動。這種移動的力量就稱為滲透壓。水分子的大小和鈉分子（此時是離子的狀態）幾乎相同，都非常的微小。
→滲透壓來自粒子移動的力量。
如果不是食鹽水，而改用蛋白質溶液和水時，又會怎麼樣呢？相較於水分子和鈉離子，蛋白質的分子非常大。以分子量來說，水是18、鈉是23，但是蛋白質中的白蛋白分子量卻高達69000。（如果對於分子量的數字沒有概念，可以想成白蛋白分子和水分子或鈉離子的大小是屬於完全不同等級就可以了。）
→白蛋白分子和水分子或鈉離子的大小是屬於完全不同等級。
以具有微小孔洞的薄膜將白蛋白溶液和水隔開，之後靜置。這些孔洞非常小，水分子和鈉離子可以通過，但是白蛋白無法通過。（具有只能讓小粒子通過的微小孔洞的薄膜，稱為半透膜。細胞膜（p.4）就是一種半透膜。）兩邊的溶液一樣會趨向達到相同的濃度，因此產生滲透壓。但是因為只有水可以通過孔洞，白蛋白不行，因此水分子會往白蛋白溶液的那一側移動。換言之，白蛋白會造成將水往自己的方向拉的拉力（圖1），可以說是白蛋白這種蛋白質產生的力。
→白蛋白可以產生將水拉近的拉力。
蛋白質也可以說是一種膠體，蛋白質產生的滲透壓稱為「膠體滲透壓」。血液中所有的蛋白質都會產生膠體滲透壓，而血漿中占絕大多數的蛋白質是白蛋白，因此血液的膠體滲透壓主要來自白蛋白。
→膠體滲透壓主要來自白蛋白。
讓我們再回顧一次細胞外液和血漿的差異。血漿就是細胞外液再加上蛋白質（尤其是白蛋白）。血管壁分隔了微血管（p.53）的內側與外側，血管壁上有微小的縫隙，水和鈉可以自由進出，但白蛋白無法通過（微血管的血管壁具有半透膜的性質）。因此血管外的水分（也就是細胞外液）會往血管內移動。換句話說，血管會將外側的水分往血管內拉，這種作用主要來自於白蛋白。
→膠體滲透壓會讓細胞外液的水分往血管內移動。
各位知道腎臟不好的時候身體會水腫嗎？水腫是一種細胞外液增加的病徵。腎臟不好時，蛋白會隨著尿液被排出體外，讓身體好不容易製造出來的白蛋白流失。結果使得血漿中的白蛋白濃度降低，膠體滲透壓也降低，無法將水分拉入血管，造成水腫。肝臟不好的時候也會水腫，因為肝臟負責製造白蛋白，如果肝臟不好，就無法製造出足夠的白蛋白，結果造成膠體滲透壓降低，引起水腫。健康檢查會檢驗尿液中是否有尿蛋白（p.72），藉此評估是否有腎臟疾病。
→白蛋白濃度降低會造成水腫。
●凝血
抽出血液放在試管中靜置幾分鐘之後就會凝固，這種現象稱為凝血，是血漿中多種凝血因子產生作用的結果。凝血因子一般處於未活化的狀態（無法直接發揮作用的狀態）。當遇到受傷等身體必須止血的情形時，第一種凝血因子會轉變成活化態，活化後的凝血因子會再讓下一種凝血因子轉變成活化態。第二種活化的凝血因子會再讓下一種凝血因子轉變成活化態......依此類推，依序迅速產生階段性的反應。
→血漿中含有凝血因子。
各位有沒有玩過傳話遊戲呢？由一個人向一千個人下指令需要花很長的時間，但是如果第一個人向十個人下指令，這十個人再各自向十個人下指令，獲得指令的一百個人再各自向十個人下指令，只要一下子就能將指令傳達給一千個人了。凝血作用必須在極短的時間內完成反應，以這種等比級數的方式反應才能達成。人體內實際上與凝血直接相關蛋白質有十幾種之多。
→凝血要在短時間內完成。
凝血時一種溶解在血漿中的微小蛋白質會發生變化，形成相互纏繞的細長絲狀，絲狀的蛋白質不再具有水溶性，因此會析出。這種絲狀的蛋白質就是血液凝固成分的主體。絲狀的蛋白質之後又會斷裂成許多小片段，再度恢復水溶性，因此凝固的血液在幾天之後又會恢復為液態。血管破裂時，血液會凝固以止血，接著血管會修復傷口，修復完畢之後必須要去除凝固的血塊，所以身體才會具有自動溶解凝固血塊的機制。這種變成細長絲狀的蛋白質稱為纖維蛋白（fibrin）（圖2）。
→凝固的血液經過幾天後又會恢復為液態。
輸血用的袋裝血液不會凝固。這是因為血液必須要有鈣離子（Ca2+）才會凝固，抽出血液後將鈣離子去除，血液就不會凝固。輸血用的血液會進行去除鈣離子的處理。
→血液必須要有鈣離子才會凝固。
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