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呼吸の意義とそのしくみ

Dr.健康ミニ講座

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呼吸の意義とそのしくみ

ヒトはなぜ呼吸するのでしょうか。息を止めていると苦しくなるからでしょうか。肺では酸素と二酸化炭素のガス交換がスムーズに行われていますが、そこにはどのようなしくみがあるのでしょう。また、飲み込んだ食べ物はなぜ気管に入り込まないのでしょうか。

今回のお話のテーマは「呼吸の意義とそのしくみ」です。さらに、タバコによるからだへの影響についてもお話を伺いました。

■ヒトが呼吸をする理由ー酸素と二酸化炭素のガス交換

 呼吸の目的の一つは、空気中にある酸素をからだに取り入れることです。からだは栄養素などの物質を分解しエネルギーを得ていますが、その際、効率よくエネルギーを取り出すためには酸素が必要になるからです。この反応は化学的に物を燃やす燃焼と同じ反応で、実際にエネルギーを取り出すことを燃焼と呼び、エネルギー量の単位として熱量を意味するカロリーを用いています。しかし、からだの中の燃焼は非常にゆっくりとしたスピードで起こるので、もちろん炎はあがりません。

また、物を燃やすと燃えカスなどのゴミが生じますが、からだから生じるゴミは主に気体である二酸化炭素です。この二酸化炭素は水に溶けると炭酸になるので細胞内を酸性に変えてしまい、大量に溜まると細胞を殺しかねないので、速やかにからだの外へ排出しなくてはなりません。

このようにヒトは、生きていくためにからだの外から酸素を取り入れ、同時にからだのなかに溜まった二酸化炭素を排出するガス交換が必要で、そのために呼吸をするのです。息は吸うだけではなく吐くことも大切ですので、吸気(吸う)と呼気(吐く)を合わせて“呼吸”という言葉が使われています。

呼吸器は、鼻腔・口腔から始まり、咽頭・喉頭・気管・気管支・細気管支を経て肺胞までが含まれ、このうち喉頭までの空気の通り道を上気道、気管から下の主に空気を入れ替える場所を下気道を呼びます。


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■乾燥を防ぎ、効率よくガス交換を行う装置ー肺

酸素を必要とするのはからだを構成している一つひとつの細胞ですが、からだに取り入れた酸素はどのようにこれらの細胞に届けられているのでしょうか。

まず始めに、空気中の酸素をからだに取り入れるしくみができた過程を、生物の進化と関連づけてお話ししましょう。

海に住む単純な構造の生物では、細胞が酸素を取り込むことはそれほど難しいことではありません。なぜなら、細胞の周囲が海水で覆われているので、海水に溶け込んだ酸素を直接細胞中に取り込むことができるからです。また、直接海水に接していなくても、水分が十分にある環境では、細胞は細胞外液から酸素を取り込むことができます。

また、魚類や軟体動物などもう少し大きくて複雑な構造の生物は、海水から効率よく酸素を取り込む必要があるため、エラという専用の装置をもっています。このエラには毛細血管が発達し大量の血液が流れ込むような構造になっているので、海水と血液の間で効率よくガス交換が行われます。市場などで、魚のエラの上に湿らせたガーゼが置かれている光景を目にしますが、これはエラさえ湿らせておけばしばらくの間は生き続けることができるため、鮮度を保つための工夫といえるでしょう。

ヒトの場合は、進化の過程で陸上生活を選択したため、からだを乾燥から防ぐことが大きな課題となりました。これを解決するために、からだの周囲に皮膚を発達させましたが、一方で、空気中の酸素を細胞に直接取り込むことはできなくなりました。そこで、産sのをからだに取り込む専用のガス交換装置が必要となったのです。また、この装置も乾燥から防がなくてはならないため、空気の取り入れ口(口や鼻)のそばではなく、からだの真ん中につくりました。さらに、このガス交換装置は、大きなからだを維持するために、全身の細胞に十分な酸素を供給できるような効率のよいものでなくてはなりません。そこで、ガス交換の効率を高めるために、ガス交換の場(空気と血液との接触面積)をなるべく大きくする工夫もこらしました。乾燥を防ぎ、空気と血液の接触面積を最大限にするという条件を満たした装置、それが肺なのです。

こうしてヒトは、空気中の酸素を肺から取り込むしくみをつくり、肺から取り込んだ酸素は血液の流れを利用して細胞のところまで運搬するというしくみを採用したのです。


■肺におけるガス交換のしくみ

次に具体的にヒトのガス交換装置、肺の構造とガス交換のしくみについて説明しましょう。

吸いこんだ空気は乾燥していますが、気道や肺の内部は全体が粘膜で覆われており常に粘液が分泌されているため、肺に入ってきた空気は湿った状態、つまり、水蒸気で水蒸気で飽和された状態になります。空気が水蒸気で飽和されている状態であれば、酸素は濃度勾配に従って空気中から血液に向かって拡散していきますから、酸素輸送体などの特別な装置は必要ありません。

また、空気と血液の接触面積を増やすために、肺は気管から気管支、細気管支へと23回も枝分かれし、その先端には肺胞と呼ばれる小さなアワ泡状の構造をたくさんつくりました。一定の体積で表面積を大きくするには全体を小さな区画に分ければよいので、肺もこの方法をとったのです。そのため肺胞の総表面積は約100、これはダブルス用のテニスコートの面積とほぼ同じにまで広がりました。安静時の呼吸では1回に約500mLの空気を吸い込みます。500mLのペットボトルの液体をテニスコートに広げた状態を想像してみてください。空気はごく薄い層になり、非常に効率よくガス交換ができることがお分かりになるかと思います。

解剖学のテキストでは、肺胞の周囲を毛細血管が網状に取り巻いているイラストがよくみられます。概念図としてはよいのですが、実際には肺胞の周囲を毛細血管の薄い層が取り囲んでいるといったほうが正確です。肺胞の周囲はすべて血管で覆われ、ほとんど隙間がない状態です。そうすることで空気と血液の接触面積を最大限に高めることができているのです。

二酸化炭素の排出のしくみも、酸素を取り込むしくみと同じく、濃度勾配に従って血液から空気中に拡散していきます。肺におけるガス交換は、酸素は常に肺胞側に多くて血液側で少ない、二酸化炭素は常に血液側で多くて肺胞側で少ないことで成り立ちます。つまり、ガス分圧(酸素分圧/二酸化炭素分圧)に常に差があるからこそ酸素や二酸化炭素のガス交換が適切に維持されているのです。そして、このガス分圧の差を保つために、常に古くなった空気を吐き出し、新鮮な空気を取り入れる必要があります。そのため、ヒトは常に呼吸をする必要があるのです。

 
■拡散・濃度勾配・ガス分圧とは?

 煙が空気中に広がる時、色をつけた水を無色の水に滴下した時な
ど、物質が自発的に広がる物理現象を拡散といいます。これは
液体や気体のなか、または接する液体同士や気体同士の間で、ある
物質の濃度に差が存在するため起こる現象です。この濃度の差を
濃度勾配といい、液体中に溶けた気体の濃度を圧力で表したもの
ガス分圧です。




■酸素はヘモグロビンに結合させて運搬する

前回の「からだを巡る血液の役割でもお話したとおり、肺から取り込んだ酸素は、血液の流れを利用して細胞に届けられますが、ここではそのしくみについてもう少し詳しく説明しましょう。

酸素という気体は基本的には液体に溶けにくいため、そのままでは液体である血液に溶け込ませて運搬することができません。そのためヒトは、ヘモグロビンというタンパク質を獲得しました。ヘモグロビンのなかのヘムという物質に酸素が結合する性質を利用したのです。ヘモグロビンは赤血球中に存在しますので、ヘモグロビンに結合した酸素を血液の血液の流れに乗せて、細胞に届けることができます。

このヘムと酸素の結合には大事なポイントがあります。それは、肺胞のように酸素の多いところでは積極的に酸素と結合し、組織のように酸素が少ないところでは酸素を解離させるといった、酸素を運搬するうえで都合のよい性質です。つまり、この性質を利用することで、血液が組織にたどり着いたら、そこで酸素が解離され、組織に酸素を受け渡すことができるのです。ヘムと酸素の結合が強力だと、組織に酸素を受け渡すことができなくなってしまいますので、その性質をグラフで示したのがヘモグロビンの酸素飽和曲線です。
ヘモグロビンは純粋に科学的な性質に則って酸素を運搬しているのですが、なんだかヘモグロビンが自分の判断で酸素を解離しているように見えるかもしれませんね。


■二酸化炭素はイオン化して運搬する
 二酸化炭素は酸素に比べて液体に溶けやすいため、そのほとんどが血液に溶けて運ばれます。しかし、二酸化炭素が水に溶けたものは炭酸水ですので、衝撃を受けるとすぐに泡立ってしまうことが問題になります。

それを防ぐために二段階の工夫をこらしました。一段階目は二酸化炭素をイオンに分解すること、二段階目は分解で生じたイオンを隔離することです。

二酸化炭素が水に溶けると、水分子と結合して炭酸をつくり、さらに炭酸はイオン化(電離)して水素イオンと重炭酸イオンに分かれます。この炭酸をつくる反応は自動的に進行するわけではなく、炭酸脱水酵素という酵素が必要になります。また、この炭酸脱水酵素は逆の反応も進行させますので、両イオンをそのままにしておくと、二酸化炭素に戻ってしまうことも考えられます。

この逆反応を防ぐために、水素イオンと重炭酸イオンを隔離する必要があります。炭酸脱水酵素による二酸化炭素の分解は赤血球の中で起こりますが、生成した水素イオンと重炭酸イオンのうち、重炭酸イオンだけを赤血球の外に出し、なかに戻らないように工夫しています。

また、二酸化炭素は直接タンパク質に結合する性質もあります。血液中にはアルブミンなどたくさんのタンパク質が含まれていますから、二酸化炭素の一部はこれらのタンパク質に結合して、組織から肺に運搬されます。ヘモグロビンもタンパク質なので、酸素とは結合部位は異なりますが、二酸化炭素はヘモグロビンにも結合することができます。

血液が肺胞までくると、濃度勾配による拡散によって血液中の二酸化炭素は肺胞中に放出されます。血液のなかに溶けている二酸化炭素の量が少なくなると、赤血球の中では二酸化炭素のイオン化とは逆の反応が炭酸脱水功をを介して進行し、重炭酸イオンと水素イオンから二酸化炭素が生じます。そして、その二酸化炭素が血液を通して肺胞中に放出されると、さらに重炭酸イオンと水素イオンから二酸化炭素が生じるので、次々に肺胞中に二酸化炭素が放出されることになります。

このように、肺におけるガス交換は、酸素も二酸化炭素も同じしくみで濃度勾配に従った拡散で行われますが、血液によって運ばれるしくみには違いがあります。


■食べ物はなぜ気道に入らない?
 ヒトの気管は喉で食道とつながっていますが、食べた物はきちんと食道に入ります。これは、食べ物が気管に入らないしくみが備わっているからです。このしくみは反射で行われていて、食べ物を飲み込むことを嚥下(えんげ)というので、これを嚥下反射といいます。

哺乳類のなかでもサルやヒトは、この嚥下反射に工夫が必要になります。その理由の一つは喉の構造に起因していますが、サルやヒトの喉は¬(カギ)字型の構造になっているので、食べ物が真っ直ぐ通過することができません。もう一つは、ヒトは頭部に目・鼻・耳など情報を収集する重要な機能を集中させているため、首をよく動かすことに起因します。つまり、首を動かすためには頸部はある程度細くてはならず、スペースの制限が生じます。しかし、頸部には

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