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B4 Breathing and Respiration 
p44­55 
B4
...
 
For gas exchange to work efficiently you need a steep concentration gradient for oxygen to diffuse into the blood and for carbon 
dioxide to diffuse out
...
 
5
...
 

% of air 
breathed out 

nitrogen 

1
...
 
3
...
04 

4 

 
Air mostly contains nitrogen and oxygen with small amounts of carbon dioxide
...
 Exhaled air contains less oxygen and more carbon dioxide
...
 
Diaphragm muscles flatten the diaphragm so the volume of the thorax increases 
As the volume of the thorax increases, the pressure drops
...
 
The ribs fall, the diaphragm moves up and the volume of the thorax decreases
...
 
Air is forced out of the lungs
...
 They are made up of clusters of alveoli which provide a very 
large surface area
...
 
The alveoli have a rich supply rich supply of blood capillaries
...
 
Gas exchange takes place along the steepest concentration gradient possible
...
 The 
layer of cells between the air in the lungs and the blood capillaries is very thin to allow diffusion to take place over the shortest 
possible gradient
...
 
  

Exhaling 

●
●
●
●
●

  
 ​
Intercostal muscles relax 
  ​
Ribs move down and in 
 ​
Diaphragm returns to dome shape 
  ​
Volume of thorax decreases 
 ​
Pressure increases 
●
 ​ ir is forced out of the lungs 
  ​
A
  

  
 
Increased volume​
 in the chest means ​
lower pressure​ atmospheric air is at a higher pressure​

...
 
Decreased volume​
 in the chest means ​
higher pressure
...
 
so ​
 
Key points: 
 
●
The lungs are in the thorax
...
 
●
The intercostal muscles contract to move your ribs up and out and flatten the diaphragm, increasing the volume of the 
thorax
...
 
●
The intercostal muscles relax and the ribs move down and in,  and the diaphragm domes up, decreasing the volume of 
the thorax
...
 
●
The alveoli provide a very large surface area and a rich supply of blood capillaries
...
 
 
Ventilation moves air in and out and helps maintain a steep diffusion gradient
...
 
Spherical shape gives alveolus relatively large surface area for diffusion
...
  
 
 
B4
...
 This means that they can no longer stimulate their intercostal muscles and diaphragm to contract and relax
...
 
 
Negative pressure ventilators 
Negative pressure ventilators cause air to be drawn into the lungs, and it is exhaled passively as the chest collapses down
...
The patient lay in a metal cylinder with their head sticking out
...
 The ​
chest wall is moved up​
 meaning that the ​
volume of 
the thorax increases ​
so that  ​
air is drawn into the lungs​

...
 The ​
ribs move down​
, ​
lowering the volume off the thorax​
, ​
increasing the pressure inside the thorax​
 ​
forcing 
air out of the lungs​

...
 
 
Positive pressure ventilators 
A positive pressure ventilator forces a carefully measured breath of air into the lungs under positive pressure
...
  
 
Positive pressure ventilators can be used in different circumstances
...
 ​
​ ositive pressure bag ventilators ​
P
are held and​
 squeezed 
by doctors of nurses​ emergency treatments​
 in ​

...
 
●
Full scale positive pressure ventilating machines​
 can help​
 keep patients alive ​
through​
 major surgery​

...
 
 
Benefits of positive pressure ventilators­ 
●
Do not have to use iron lung 
●
Can be used at home 
●
Patients can have control 
  
Disadvantages of positive pressure ventilators­ 
●
Inserting tube down trachea can be uncomfortable 

 
B4
...
 This reaction releases energy that your cells can use
...
 
Equation: 
glucose + oxygen ­ carbon dioxide + water ​
(+energy)  
 
Mitochondria­ site of respiration 
 
Each reaction during aerobic respiration is controlled by enzymes and most take place in the mitochondria
...
 They have a folded inner 
membrane that provides a large surface area for enzymes involved with aerobic respiration
...
 
 
Reasons for respiration­ 
Respiration releases energy from the food we eat and air that we breathe in so that our cells can use it
...
 They build up large molecules from small ones to make new 
cell material
...
 Energy is 
used  to break down larger molecules to smaller ones both during digestion and within the cells themselves
...
 All muscle activities use energy
...
 Doing this uses energy from respiration
...
 
●
In plants, the energy from respiration is used to move minerals ions such as nitrated from the soil into root hair cells
...
 
 
Key points: 
­
Aerobic respiration involves chemical reactions that use oxygen and sugar and release energy
...
 
 
B4
...
 ­Muscle fibres 
need a lot of energy to contract
...
 
­Muscle fibres usually occur in big blocks or groups known as muscles, which contract to cause movement
...
 Glycogen can be converted rapidly to glucose during exercise
...
 
 
During exercise ​uscles contract harder and faster meaning that they need more glucose and oxygen to supply oxygen to supply 
m
their energy needs
...
 
During exercise ​
several changes take place: 
●
Heart rate and arteries supplying blood widen
...
 This in turn 
increases the rate of supply of oxygen and glucose to muscles
...
  
●
Breathing rate increases and you breathe more deeply
...
 This is carried to exercising muscles
...
  
●
Glycogen stored in muscles is converted back to glucose, to supply cells with the full they need for increased cellular 
respiration
...
 
­
When exercising muscles, you need and increased amount of glucose and oxygen and you produce more carbon dioxide 
that needs to be removed
...
 
 
B4
...
 However when you exercise hard or for a long period 
of time, your muscle cells may become short of oxygen (although your heart and breathing rates increase, blood can still not supply 
oxygen to the muscle cells fast enough)
...
 They use ​
anaerobic 
respiration, ​
which takes place without oxygen
...
 It produces ​
lactic acid ​
instead of carbon dioxide and water, and 
releases a smaller amount of energy for the cells
...
 If you are unfit, 
your muscles will run out of oxygen sooner
...
 
One cause of muscle fatigue can be a build up of lactic acid, made by anaerobic respiration in the muscle cells
...
 
Anaerobic respiration is not as effective as aerobic respiration because glucose is not broken down completely so far less energy is 
released
...
 
 
Anaerobic respiration: 
 glucose ­ lactic acid (+energy) 
Oxygen debt 
 
If you’ve been exercising hard, you often carry on puffing and    panting after you stop
...
 
When exercise is over, lactic acid has to be broken down to produce carbon dioxide and water
...
 To [provide 
oxygen your heart and breathing rate stay high
...
 
 
Oxygen debt repayment: 
lactic acid + oxygen ­ carbon dioxide + water 
Anaerobic respiration in other organisms­ 
Plants and organisms can also respire anaerobically however they do not form lactic acid­ they form ethanol and carbon dioxide

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